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¿Solubilidad o Magia?
Cuando una cosa se disuelve en otra parece que desaparece. Aparentemente ya no está, o cambió.
Algunos dicen que la sal se funde un momento antes de disolverse en agua, que por eso se disuelve, porque se transforma en líquido antes de disolverse.
La solubilidad es un fenómeno físico, porque no hay reacción, porque en cualquier momento y por medios físicos puedes volver a tener lo que alguna vez disolviste, puede empezar a ser complicado. ¿Qué pasa cuando a la disolución de agua salada la quieres volver a separar? La calientas y evaporas el agua pero, ¿por qué al evaporar el agua la sal se separa? ¿Por qué la adición del calor hace que las cosas se “des-disuelvan”?
¿Qué es la Solubilidad?
La solubilidad de un soluto particular es la cantidad máxima de ese soluto que se puede disolver en una cierta cantidad de disolvente a una determinada temperatura. En particular, la solubilidad en agua acostumbra expresarse como los gramos de sustancia que logran disolverse en 100 mL de agua a 25°C.
Soluble o insoluble
Una disolución era una mezcla homogénea en la que las partículas de la fase dispersa (soluto) tienen el tamaño de átomos o moléculas.
Se sabe que es posible disolver a un soluto S en un disolvente D si las atracciones entre las partículas de S y D eran mayores que las atracciones entre las partículas de D entre sí y las de S entre sí.
Para algunas sustancias, la solubilidad en agua es mayor que para otras, o lo que es lo mismo, hay unas sustancias más solubles que otras. La pregunta ahora es ¿a qué pueden deberse las diferencias en solubilidad? El fenómeno que nos interesa, la solvatación de una sal iónica por el agua, se representa mediante la siguiente reacción (en la que por simplicidad, elegimos el caso de una sal simple como M+X- ):
Con esto bajo consideración, podemos decir que para que el proceso de solubilización sea favorecido energéticamente, la entalpía desprendida en la hidratación de los iones debe ser mayor a la entalpía requerida para romper la red cristalina; de esto depende que una sal sea soluble o insoluble en agua.
¿Cómo se cuantifica la solubilidad?
Para muchas sustancias, los valores de la solubilidad están reportados en tablas.
A partir de este dato, si conocemos la masa molecular de esta sustancia, podremos expresar su solubilidad en moles por litro, a lo que se le conoce como solubilidad molar de un compuesto.
Un soluto formado por iones, al disolverse en agua da lugar a cationes hidratados y aniones hidratados. En el caso particular (aunque muy común), de las sales iónicas que son sólo ligeramente solubles, se suele cuantificar su solubilidad mediante el estudio del siguiente equilibrio:
Así pues, fácilmente se puede calcular la Kps de esta sal a partir de la solubilidad y viceversa, ya que existe una relación directa entre ambas y la concentración iónica). Esta relación es distinta según la estequiometría de la sal (ver Tabla 1).
A partir de los valores de Kps podemos deducir la concentración de cada uno de los iones presentes cuando se precipita el sólido.
A la concentración de cada uno de los iones que permanece en solución cuando se precipita el sólido se le llama solubilidad.
Relación entre solubilidad y constante del producto de solubilidad
La solubilidad indica la máxima concentración molar de iones en equilibrio con el sólido en una disolución saturada. Para una sal es posible determinar la constante del producto de solubilidad a partir de la solubilidad, y también la solubilidad a partir de la constante del producto de solubilidad.
Factores que afectan la solubilidad
Como normalmente no se tiene a una de estas sales poco solubles en agua pura, sino que suele haber otras especies químicas en la disolución, la solubilidad de dicha sal puede verse modificada sustancialmente debido a la presencia de estas otras especies que pueden dar lugar a diversas reacciones paralelas que modifican el equilibrio de solubilidad.
El efecto del ion común
Consiste en el desplazamiento de los equilibrios causado por la adición de un compuesto que tiene un ion en común con las sustancias precipitables.
Polaridad
En la mayoría de los casos, los solutos se disuelven en disolventes que tienen una polaridad similar. Los químicos usan un aforismo popular para describir esta característica de solutos y disolventes: “semejante disuelve semejante”.
Los solutos no polares no se disuelven en disolventes polares y viceversa
El efecto del pH
En muchos casos, los aniones que conforman una sal poco soluble tienen características marcadamente básicas, es decir, tienen una gran afinidad por el H+. El ejemplo más sencillo de esta situación lo constituyen los hidróxidos. El ion OH- forma sustancias poco solubles con todos los iones metálicos excepto los de la familia 1.
Temperatura
La temperatura tiene un efecto directo sobre la solubilidad. Para la mayoría de los sólidos iónicos, el aumento de la temperatura aumenta la rapidez con la que se puede hacer la solución.
A medida que la temperatura aumenta, las partículas del sólido se mueven más rápido, lo que aumenta las posibilidades de que interactúen con más partículas del disolvente. Esto da como resultado el aumento de la velocidad a la que se produce una solución.
La temperatura también puede aumentar la cantidad de soluto que se puede disolver en un disolvente. En términos generales, a medida que aumenta la temperatura, se disuelven más partículas de soluto.
Presión
La presión, afecta a la solubilidad de un gas en un líquido pero nunca de un sólido que se disuelve en un líquido.
Cuando se aplica presión a un gas que está por encima de la superficie de un disolvente, el gas se moverá al disolvente y ocupará algunos de los espacios entre las partículas del disolvente.
Naturaleza del soluto
La naturaleza del soluto y del solvente y la presencia de otros compuestos químicos en la solución afectan la solubilidad.
El tamaño del soluto es también un factor importante. Cuanto más grandes sean las moléculas del soluto, mayor es su peso molecular y su tamaño. Es más difícil que las moléculas de disolvente rodeen moléculas más grandes.
Si se excluyen todos los factores antes mencionados, se puede encontrar una regla general de que las partículas más grandes son generalmente menos solubles.
Si la presión y la temperatura son las mismas que entre dos solutos de la misma polaridad, el que tiene partículas más pequeñas suele ser más soluble
Factores mecánicos
En contraste con la velocidad de disolución, la cual depende principalmente de la temperatura, la velocidad de recristalización depende de la concentración de soluto en la superficie de la red cristalina, caso que se favorece cuando una solución está inmóvil.
Por lo tanto, la agitación de la solución evita esta acumulación, maximizando la disolución.
Equilibrios simultáneos
Las sustancias acuosas que se emplean en el laboratorio contienen con frecuencia varias especies que interaccionan entre si y con el agua de tal manera que producen dos o más sistemas en equilibrio que reaccionan simultáneamente, a este tipo de equilibrios le llamaremos Equilibrios Simultáneos o Equilibrios Múltiples o condicionales, los cuales se manejan mediante lo que se conoce como constantes condicionales que son las constantes que conocemos pero dependientes o condicionados a alguna especie como el H+ (pH) o algún complejante, precipitante o agente reductor u oxidante.
En ocasiones también se maneja el potencial condicional que es aquel que depende de alguna de las especies antes mencionadas.
En el caso de los complejos formados con el EDTA dependen del pH, ya que el EDTA es una sustancia ácida que tiene cuatro iones H+ , así que se tiene que manejar constantes condicionales para estos equilibrios.
Producto de Solubilidad
Aplicaciones en el Laboratorio
1. Separación de iones
Si en una disolución hay varios iones, se pueden separar haciendo precipitar alguno de sus compuestos poco solubles.
Hay que diseñar un procedimiento para que al añadir un reactivo se forme precipitado de uno de ellos, que se separa por filtración, y los otros iones permanezcan en disolución. Se repite el proceso hasta separar todos los iones.
2. Efecto salino
En resumen, por efecto salino desaparece un precipitado para formarse otro más insoluble.
3. Identificación de iones
Hay algunos precipitados que tienen una coloración característica que permiten identificar la presencia de los iones que los forman.
Por ejemplo, como ya sabes, el PbI2 es de color amarillo canario; si se quiere saber si en una disolución hay iones Pb2+, se toma una muestra en un tubo de ensayo y se le añade unas gotas de disolución de I-: si se forma precipitado, la identificación es positiva.
Aplicaciones en el entorno
1. Protección de monumentos de mármol
Los monumentos levantados en Grecia y Roma han pervivido hasta 2000 e incluso más años sin más daños que los ocasionados por la incultura, así como por el mero aprovechamiento de los materiales como elementos de construcción.
Sin embargo, en los últimos 50 años los daños se han acelerado notablemente debido a un efecto potenciado por la actividad humana: la lluvia ácida.
En muchos monumentos de mármol se hace un tratamiento con Ba(OH)2 y urea, de forma que la superfice del monumento queda recubierta por una fina capa de BaCO3, sólido con el mismo aspecto que el mármol y prácticamente la misma solubilidad. Sin embargo, por efecto de la lluvia ácida se transforma en BaSO4, que tiene una constante de solubilidad de 1,1 10-10, mientras que la del CaSO4 que se forma sin el tratamiento es de 9,1 10-6. Es decir, con este tratamiento ¡la lluvia ácida contribuye a proteger el mármol!
2. Eliminación de la dureza de las aguas
¿Qué significa que un agua es dura? Se trata de agua con un alto contenido en sales, sobre todo de calcio. Se suele considerar dura un agua que tiene disueltos más de 120 mg/L de CaCO3
Se trata de aguas que producen poca espuma con los detergentes, y que en el caso de las aguas minerales suelen tener depósitos blanquecinos en el fondo de la botella.
¿Cómo se puede evitar la formación de sales cálcicas, o bien disolverlas cuando ya se han formado? Una solución es añadir EDTA, una sustancia que forma un complejo muy estable con los iones calcio. Es decir, si hay carbonato de calcio sólido se establece el equilibrio:
CaCO3 (s) ↔ Ca2+ (aq) + CO32- (aq)
Al añadir EDTA, se une a los iones Ca2+, formando un compuesto complejo soluble. Como la cantidad de Ca2+ disminuye, el equilibrio de solubilidad se desplaza a la derecha para producirlo, redisolviendose el precipitado.
Fíjate en las etiquetas de los suavizantes que se utilizan al lavar la ropa: suelen tener EDTA para evitar la precipitación de sales cálcicas y que las fibras de la ropa se queden rígidas y "rasquen".
3. Caries dental
La caries consiste en el debilitamiento y posterior rotura de la dura capa exterior de las piezas dentales. Para evitar la formación de caries, es necesaria una adecuada higiene bucal, que se suele complementar con tratamientos protectores a base de flúor (administración directa de iones fluoruro o pastas dentífricas que tienen iones fluoruro).
El esmalte dental es hidroxiapatito, de fórmula Ca10(PO4)6(OH)2, que por acción de los ácidos se disuelve, dando lugar a caries. La administración de fluoruro produce la sustitución de los iones OH- por iones F-, dando lugar a fluorapatito, Ca10(PO4)6F2, más insoluble que el hidroxiapatito y más resistente a la acción de los ácidos.
Soluble o insoluble
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Bibliografía