lunes, 16 de agosto de 2021

Introducción a la solubilidad

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 La solubilidad es la propiedad de una sustancia química sólida, líquida o gaseosa llamada soluto para disolverse en un solvente sólido, líquido o gaseoso. Las interacciones entre el soluto y el disolvente determinarán si se formará una solución. Inicialmente, se necesita energía para separar las partículas en el soluto y las partículas de disolvente. Entonces se libera energía cuando las partículas de soluto se mueven entre las partículas de disolvente para formar una solución. Sin embargo, debe haber atracciones entre el soluto y las partículas de disolvente para proporcionar la energía para la separación inicial. Estas atracciones se producen cuando el soluto y el disolvente tienen polaridades similares. La expresión "lo semejante disuelve lo semejante" es una manera de decir que las polaridades de un soluto y un disolvente deben ser similares para que una solución se forme. En ausencia de interacciones moleculares atractivas entre un soluto y un disolvente, no se forma una solución.

Representación estándar de una solución con diferentes grados de saturación. La figura tiene un problema y es que no diferencia claramente la solución insaturada de la saturada, ya que ese concepto es matemático.

Figura 1.   Representación estándar de una solución con diferentes grados de saturación. La figura tiene un problema y es que no diferencia claramente la solución insaturada de la saturada, ya que ese concepto es matemático.

El término solubilidad se utiliza para describir la cantidad de un soluto que puede disolverse en una cantidad dada de disolvente. Muchos factores, como el tipo de soluto, el tipo de disolvente y la temperatura, afectan a la solubilidad de un soluto. La solubilidad, usualmente expresada en gramos de soluto en 100 g de disolvente, pero puede expresarse en cualquiera de las unidades de concentración como molaridad, molalidad o porcentaje en masa y, es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse a cierta temperatura.


El nivel de saturación indica el punto crítico por el cual decimos si un sólido soluble deja de serlo.

Matemáticamente la podemos modelar como que la masa de soluto m(s) es menor que la masa máxima m(max) que puede aguantar una determinada cantidad de solvente. La solución insaturada es homogénea.

Una analogía macroscópica consiste en que el solvente es un bus con una determinada cantidad de cupos, y el soluto son los pasajeros. En una solución insaturada hay más cupos que pasajeros.

Matemáticamente la podemos modelar como que la masa de soluto m(s) es igual que la masa máxima m(max) que puede aguantar una determinada cantidad de solvente. La solución insaturada es homogénea.

En la analogía macroscópica la idea es que todos los pasajeros van sentados, pero no hay cupos. Cualitativamente, las soluciones saturadas e insaturadas pueden verse de manera semejante a menos que el soluto presente algún tipo de pigmento visible como la Figura 1, sin embargo, en soluciones comunes como sal en agua o azúcar en agua, las soluciones saturadas e insaturadas no pueden distinguirse por cualidades visibles, aunque si cambiarán en cualidades organolépticas como el sabor.

Matemáticamente la podemos modelar como que la masa de soluto m(s) es mayor que la masa máxima m(max) que puede aguantar una determinada cantidad de solvente. La solución sobresaturada es heterogénea ya que la masa que no aguanta el solvente se separa espontáneamente del líquido, ya sea en fase sólida “como precipitado”, o en fase gaseosa “atmósfera sobre el líquido”.

Básicamente en términos cualitativos solo la solución sobresaturada se distingue ya que tendrá precipitado, mientras que en las otras dos lo que se observa es el solvente como si no estuviera mezclado con otras cosas. Sin embargo, una solución sobresaturada puede aparentar ser homogénea.

Algunos solutos, como el acetato de sodio, no se recristalizan fácilmente. Suponga que se prepara una solución exactamente saturada de acetato de sodio a 50 ° C. A medida que vuelve a enfriarse a temperatura ambiente, no aparecen cristales 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 se puede disolver a una temperatura determinada. La recristalización del exceso de soluto disuelto en una solución sobresaturada puede iniciarse mediante la adición de un diminuto 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 en una solución sobresaturada suele ser muy rápida.

La medida en que una sustancia se disuelve en otra depende de la naturaleza de ambas sustancias. También depende de la temperatura y, al menos para los gases, de la presión.


La tendencia natural de las sustancias a mezclarse y las diversas interacciones entre las partículas de soluto y disolvente están implicadas en la determinación de las solubilidades. Sin embargo, a menudo se puede obtener información sobre las variaciones en la solubilidad centrándose en la interacción entre el soluto y el disolvente.

Las solubilidades de varios gases en agua aumentan al aumentar la masa de sus moléculas. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de gas y las moléculas de disolvente son principalmente fuerzas de dispersión, que aumentan al aumentar el tamaño y la masa molecular. Por lo tanto, los datos indican que las solubilidades de los gases en el agua aumentan a medida que aumenta la atracción entre el soluto (gas) y el solvente (agua). En general, cuando otros factores son comparables, cuanto más fuertes son las atracciones entre las moléculas de soluto y disolvente, mayor es la solubilidad del soluto en ese disolvente.

Debido a las favorables atracciones dipolo-dipolo entre las moléculas de solvente y las moléculas de soluto, los líquidos polares tienden a disolverse en solventes polares. El agua es polar y puede formar enlaces de hidrógeno. Por lo tanto, las moléculas polares, especialmente aquellas que pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua, tienden a ser solubles en agua. Por ejemplo, la acetona, una molécula polar, se mezcla en todas las proporciones con agua. La acetona tiene un enlace C=O fuertemente polar y pares de electrones no enlazados en el átomo de O que pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. Esto nos lleva a una regla que siguen básicamente todas las sustancias orgánicas, y es que entre mayor cantidad de oxígenos y entre más desnudos estén estos oxígenos, más solubles van a hacer las sustancias orgánicas en agua.

Los líquidos que se mezclan en todas las proporciones, como la acetona y el agua, son miscibles, mientras que los que no se disuelven entre sí son inmiscibles. La gasolina, que es una mezcla de hidrocarburos, es inmiscible con agua, y por ende forma una mezcla heterogénea. Los hidrocarburos son sustancias apolares debido a varios factores: los enlaces C - C no son polares, los enlaces C - H son casi no polares y las moléculas son lo suficientemente simétricas como para cancelar gran parte de los dipolos débiles del enlace C - H. La atracción entre las moléculas de agua polares y las moléculas de hidrocarburos no polares no es lo suficientemente fuerte como para permitir la formación de una solución. De hecho, podemos visualizar el proceso como si la red de puentes de hidrógeno del agua excluyera activamente a todas aquellas moléculas incapaces de realizar enlaces de hidrógeno.

Muchos compuestos orgánicos tienen grupos polares unidos a una estructura no polar de átomos de carbono e hidrógeno. Por ejemplo, la serie de compuestos orgánicos de la Tabla 1 contienen todos el grupo OH polar.

Tabla 1. Solubilidades de algunos alcoholes en agua y en hexano. Las solubilidades se expresan en mol de alcohol / 100 g de disolvente a 20 ° C.

Solubilidades de algunos alcoholes en agua y en hexano. Las solubilidades se expresan en mol de alcohol / 100 g de disolvente a 20 ° C.

Los compuestos orgánicos con esta característica molecular se denominan alcoholes. El enlace O - H puede formar enlaces de hidrógeno. Por ejemplo, las moléculas de etanol CH3CH2OH pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua y entre sí. Como resultado, las fuerzas soluto-soluto, solvente-solvente y soluto-solvente no son muy diferentes en una mezcla de CH3CH2OH y H2O. No se produce ningún cambio importante en los entornos de las moléculas a medida que se mezclan. Por lo tanto, el aumento de entropía cuando los componentes se mezclan juega un papel importante en la formación de la solución, y el etanol es completamente miscible con agua.

El número de átomos de carbono en un alcohol afecta su solubilidad en agua. A medida que aumenta este número de carbonos, el grupo OH polar se convierte en una parte aún más pequeña de la molécula y la molécula se comporta más como un hidrocarburo. La solubilidad del alcohol en agua disminuye correspondientemente. Por otro lado, la solubilidad de los alcoholes en un disolvente apolar como el hexano C6H14 aumenta a medida que se alarga la cadena de hidrocarburos apolares.

Una forma de mejorar la solubilidad de una sustancia en agua es aumentar el número de grupos polares que contiene la sustancia. Por ejemplo, aumentar el número de grupos OH en un soluto aumenta el grado de enlace de hidrógeno entre ese soluto y el agua, aumentando así la solubilidad. La glucosa C6H12O6, tiene cinco grupos OH en una estructura de seis carbonos, lo que hace que la molécula sea muy soluble en agua: 830 g se disuelven en 1,00 L de agua a 17,5 ° C. Por el contrario, el ciclohexano C6H12, que tiene una estructura similar a la glucosa pero con todos los grupos OH reemplazados por H, es esencialmente insoluble en agua (solo 55 mg de ciclohexano pueden disolverse en 1,00 L de agua a 25 ° C).

A lo largo de años de estudio, el examen de diferentes combinaciones de solvente-soluto ha llevado a una importante generalización: las sustancias con fuerzas de atracción intermoleculares similares tienden a ser solubles entre sí. Esta generalización a menudo se expresa simplemente como "lo similar se disuelve como lo similar". Es más probable que las sustancias no polares sean solubles en disolventes no polares; Es más probable que los solutos iónicos y polares sean solubles en disolventes polares. Los sólidos de la red, como el diamante y el cuarzo, no son solubles en disolventes polares o apolares debido a la fuerte unión dentro del sólido.


Las vitaminas tienen estructuras químicas únicas que afectan sus solubilidades en diferentes partes del cuerpo humano. La vitamina C y las vitaminas B son solubles en agua, por ejemplo, mientras que las vitaminas A, D, E y K son solubles en disolventes no polares y en tejido graso (que es apolar). Debido a su solubilidad en agua, las vitaminas B y C no se almacenan en un grado apreciable en el cuerpo, por lo que los alimentos que contienen estas vitaminas deben incluirse en la dieta diaria. Por el contrario, las vitaminas liposolubles se almacenan en cantidades suficientes para evitar que aparezcan enfermedades por deficiencia de vitaminas incluso después de que una persona haya subsistido durante un largo período con una dieta deficiente en vitaminas.

Modelos moleculares de las estructuras de la vitamina A y la vitamina C.

Figura 2.  Modelos moleculares de las estructuras de la vitamina A y la vitamina C.

Que algunas vitaminas sean solubles en agua y otras no se puede explicar en términos de sus estructuras. Observe en la Figura 2 que la vitamina A (retinol) es un alcohol con una cadena de carbono muy larga. Dado que el grupo OH es una parte tan pequeña de la molécula, la molécula se parece a los alcoholes de cadena larga que se enumeran en la Tabla 1. Esta vitamina es casi no polar. Por el contrario, la molécula de vitamina C es más pequeña y tiene varios grupos OH que pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua, algo parecido a la glucosa.

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