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Dado que el agua el solvente universal, asumiremos que el solvente que estamos discutiendo es siempre el agua, a menos que se diga otra cosa.
Este término se usa
a menudo en el campo de la metalurgia para referirse al grado en que un
elemento de aleación se disolverá en el metal base sin formar una fase
separada. El solvus o línea de solubilidad (o curva) es la línea (o líneas) en
un diagrama de fase que da los límites de adición de soluto. Es decir, las
líneas muestran la cantidad máxima de un componente que se puede agregar a otro
componente y aún estar en una solución sólida o aleación. En la estructura
cristalina del sólido, el elemento 'soluto' puede ocupar el lugar de la matriz
dentro de la red (una posición de sustitución; por ejemplo, cromo en hierro) u
ocupar un lugar en un espacio entre los puntos de la red (una posición
intersticial; por ejemplo, carbono en hierro). En la fabricación
microelectrónica, la solubilidad en sólidos se refiere a la concentración
máxima de impurezas que se pueden colocar en el sustrato.
No solo los metales
son capaces de formar soluciones sólidas, también lo pueden hacer ciertos
sólidos iónicos con agua molecular para formar sustancias nuevas, llamados
compuestos hidratados. En química, un hidrato es un compuesto que absorbe las
moléculas de agua de su entorno y las incluye como parte de su estructura
molecular. Las moléculas de agua permanecen intactas dentro del compuesto o se
rompen parcialmente en sus elementos. Tres categorías principales de hidratos
son hidratos inorgánicos, hidratos orgánicos e hidratos de gas (o clatrato). Un
ejemplo de esto es el sulfato de cobre pentahidratado CuSO4∙5H2O. En este caso también tenemos un límite para la solubilidad dictado por
la estequiometria de la hidratación.
Solubilidad del estado líquido y del estado gaseoso.
Depende
exclusivamente de la solubilidad intrínseca de un soluto, pero cuando se dice
que un líquido es soluble en agua, significa que es soluble en cualquier
proporción, no hay límites o fronteras de solubilidad crítica.
Con el estado gaseoso
ni siquiera existe el concepto de no solubles, en este caso la solubilidad
intrínseca del gas es irrelevante, ya que las moléculas están tan separadas que
la identidad o propiedad química del gas afecta poco a la posibilidad de mezcla
unos con otros, en otras palabras, todos los gases pueden mezclarse y formar
una mezcla homogénea.
Solubilidad intrínseca del soluto
Existen solutos que
de plano no se solubilizan nunca en un solvente determinado, algunas veces esto
puede predecirse fácilmente como en los sólidos moleculares, pero en otras es
difícil de tener una regla clara como en los sólidos iónicos.
La mayoría de las
sustancias moleculares son insolubles (o solo muy escasamente solubles) en
agua. Aquellos que se disuelven a menudo reaccionan con el agua, o son capaces
de formar enlaces de hidrógeno con el agua. En este caso podemos tener
moléculas semejantes entre sí, como el metano CH4, el
metanol CH3OH y el amoníaco NH3 con diferentes grados de solubilidad.
El metano es un gas
a temperatura ambiente, por lo que sus moléculas ya están separadas, el agua no
necesita separarlas entre sí. El problema son los enlaces de hidrógeno entre
las moléculas de agua. Si el metano se disolviera, tendría que abrirse camino
entre las moléculas de agua y así romper los enlaces de hidrógeno. Eso cuesta
una cantidad razonable de energía. Las únicas atracciones posibles entre las
moléculas. de metano y agua son las fuerzas Van der Waals, mucho más débiles, y
no se libera mucha energía cuando se configuran. Simplemente no es
energéticamente rentable para que el metano y el agua se mezclen.
Por el contrario,
cuando el metano reemplaza uno de sus hidrógenos por un grupo OH, el oxígeno
crea puentes de hidrógeno entre sí, provocando la atracción de las moléculas
del gas, hasta colapsar en un líquido, adicionalmente, el oxígeno puede hacer
puentes de hidrógeno con el agua, por lo que se solubiliza con ella en
cualquier proporción. El amoníaco tiene la capacidad de formar puentes de
hidrógeno. Cuando los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua se
rompen, pueden reemplazarse por enlaces equivalentes entre las moléculas de
agua y amoníaco. Parte del amoníaco también reacciona con el agua para producir
iones de amonio y iones de hidróxido.
A
B
Figura 8. Efecto de los oxígenos en la solubilidad de
moléculas orgánicas. (A) El hexano C6H14 es una sustancia molecular que no forma puentes de
hidrógeno, es un líquido a temperatura ambiente. (B) El fucitol “hexan-1,2,3,4,5-pentol” C6H9(OH)5 es una sustancia molecular que es capaz de formar
puentes de hidrógeno.
Las moléculas más
grandes siguen el mismo principio de solubilidad: La molécula es insoluble
si carece de oxígenos en su estructura o no se ioniza espontáneamente. Como se ilustra en la figura anterior, la
solubilidad cambia de insoluble a soluble en agua mediante la adición de grupos
que con tienen oxígenos, a más oxígenos más soluble es la sustancia, los
azúcares son muy solubles ya que tienen muchos oxígenos. En contraposición, las
sustancias líquidas no solubles en agua pueden solubilizar sustancias
moleculares que tampoco son solubles en agua, a estas sustancias las
denominamos apolares, pues carecen de oxígenos con cargas negativas.
Los sólidos iónicos
interactúan más difícilmente con el agua, y algunas de estas sales nunca se
solubilizan normalmente, las que si lo hacen solo lo pueden hacer en cantidades
pequeñas que dependen principalmente de la temperatura. Dado lo anterior, una
misma cantidad de agua puede soportar una mayor masa de azúcar que de sal.
Las sales insolubles son compuestos iónicos que son insolubles en agua: la sal continúa existiendo como un sólido en lugar de disolverse en el líquido. En la escala atómica, la red iónica de una sal insoluble permanece intacta; La red iónica no se rompe para permitir que los iones de sal estén rodeados por moléculas de agua y formen una solución. Si se forma una sal insoluble por la reacción de sustancias solubles en agua y se sale de la solución, lo llamamos un precipitado por reacción. Un ejemplo típico de precipitado por reacción es la síntesis del cloruro de plata, una sal que una vez formada no se solubiliza ni se ioniza, por lo que se agrega en una red iónica en el agua Ag+(aq)+Cl—(aq)→AgCl(s).
Figura 9. Curva de solubilidad sustancia molecular vs
iónica. Solubilidad de la sacarosa o
azúcar de mesa “sólido molecular” con respecto a la sal de mesa “sólido iónico”
indica que, los sólidos iónicos son menos solubles en agua, y que la
solubilidad se afecta con la temperatura.
Por la alta
insolubilidad del cloruro de plata, se usa en laboratorios de química analítica
tanto en el análisis gravimétrico como en el análisis volumétrico de la
cantidad de plata de una muestra. Las sales solubles por el contrario si se
ionizan y solubilizan, como cuando una sal como el cloruro de sodio (sal de
mesa) se disuelve en agua, su red iónica se separa para que los iones de sodio
y cloruro individuales se disuelvan (NaCl(s)→Na+(aq)+Cl-(aq)).
En la práctica,
muchas sales que se describen como insolubles en realidad se ionizan
ligeramente en agua, liberando iones en la solución, los cuales retornar al
sólido en un equilibrio iónico. En este punto se dice que la solución está
saturada. En casos simples, donde no hay iones comunes o equilibrios
competitivos, las concentraciones de iones dependen solo de la constante de
equilibrio para la sal en particular. Cuando hablamos de equilibrios de
solubilidad, siempre escribimos el equilibrio con el sólido a la izquierda. Por
ejemplo (Ba(IO3)2(s)→Ba2+(aq)+2IO3-(aq)).
1. Las sales que contienen elementos del Grupo
I son solubles (Li+,
Na+, K+, Cs+, Rb+). Las excepciones a esta regla son raras.
Las sales que contienen el ion amonio (NH4+)
también son solubles.
2. Las sales que contienen ion nitrato (NO3-) son generalmente solubles.
3. Las sales que contienen halógenos (Cl-, Br-, I-) son generalmente solubles. Las excepciones
importantes a esta regla son las sales de haluro de plata I, plomo II y
mercurio I. Por lo tanto, AgCl, PbBr2
y Hg2Cl2 son todos insolubles.
4. La mayoría de las sales de plata son
insolubles. AgNO3
y Ag(C2H3O2) son sales solubles de plata comunes; prácticamente cualquier otra cosa
es insoluble.
5. La mayoría de las sales de sulfato son
solubles. Las excepciones importantes a esta regla incluyen BaSO4, PbSO4, Ag2SO4
y SrSO4.
6. La mayoría los hidróxidos son solo
ligeramente solubles, excepto las de uso común que son las del grupo I, el
hidróxido de sodio es extremadamente soluble. Los hidróxidos de los elementos
del Grupo II (Ca, Sr y Ba) son ligeramente solubles. Las sales de hidróxido de
metales de transición y Al3+
son insolubles. Por lo tanto, Fe(OH)3, Al(OH)3, Co(OH)2 no son solubles.
7. La mayoría de los sulfuros de metales de
transición son altamente insolubles. Por lo tanto, CdS, FeS, ZnS, Ag2S son todos insolubles. El arsénico, el
antimonio, el bismuto y los sulfuros de plomo también son insolubles.
8. Los carbonatos son frecuentemente insolubles.
Los carbonatos del grupo II (Ca, Sr y Ba) son insolubles. Algunos otros carbonatos
insolubles incluyen FeCO3
y PbCO3.
9. Los cromatos son frecuentemente insolubles.
Ejemplos: PbCrO4,
BaCrO4.
10.
Los
fosfatos son frecuentemente insolubles. Ejemplos: Ca3(PO4)2, Ag3PO4.
11.
Los
fluoruros son frecuentemente insolubles. Ejemplos: BaF2, MgF2, PbF2.
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