Preguntas de equilibrio de solubilidad
La definición de solubilidad es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una determinada cantidad de disolvente o cantidad de solución a una temperatura o presión determinada (en el caso de los solutos gaseosos). En CHM1045 hablamos de la solubilidad como una cualidad de sí o no. Pero la realidad es que casi todos los solutos son algo solubles en todos los disolventes en algún grado medible.
En el caso de los gases, la solubilidad disminuye a medida que aumenta la temperatura (duh… has visto hervir el agua, ¿verdad?) La razón física de esto es que cuando la mayoría de los gases se disuelven en una solución, el proceso es exotérmico. Esto significa que se libera calor a medida que el gas se disuelve. Esto es muy similar a la razón por la que la presión de vapor aumenta con la temperatura. El aumento de la temperatura provoca un aumento de la energía cinética. La mayor energía cinética provoca más movimiento en las moléculas del gas, que rompen los enlaces intermoleculares y escapan de la solución. Observa el siguiente gráfico:
Si el calor desprendido en el proceso de disolución es mayor que el calor necesario para romper el sólido, la reacción neta de disolución es exotérmica (véase el proceso de disolución). La adición de más calor (aumenta la temperatura) inhibe la reacción de disolución, puesto que la reacción ya produce un exceso de calor. Esta situación no es muy común cuando un aumento de la temperatura produce una disminución de la solubilidad. Pero es el caso del sulfato de sodio y del hidróxido de calcio.
Tabla de constantes de solubilidad
El equilibrio de solubilidad es un tipo de equilibrio dinámico que existe cuando un compuesto químico en estado sólido está en equilibrio químico con una solución de ese compuesto. El sólido puede disolverse sin cambios, con disociación o con reacción química con otro constituyente de la solución, como un ácido o un álcali. Cada equilibrio de solubilidad se caracteriza por un producto de solubilidad dependiente de la temperatura que funciona como una constante de equilibrio. Los equilibrios de solubilidad son importantes en la industria farmacéutica, en el medio ambiente y en muchos otros ámbitos.
Existe un equilibrio de solubilidad cuando un compuesto químico en estado sólido está en equilibrio químico con una solución que lo contiene. Este tipo de equilibrio es un ejemplo de equilibrio dinámico en el que algunas moléculas individuales migran entre las fases sólida y de solución de tal manera que las tasas de disolución y precipitación son iguales entre sí. Cuando se establece el equilibrio y el sólido no se ha disuelto del todo, se dice que la solución está saturada. La concentración del soluto en una solución saturada se conoce como solubilidad. Las unidades de solubilidad pueden ser molares (mol dm-3) o expresadas como masa por unidad de volumen, como μg mL-1. La solubilidad depende de la temperatura. Una solución que contiene una concentración de soluto superior a la solubilidad se dice que está sobresaturada. Una solución sobresaturada puede ser inducida a alcanzar el equilibrio mediante la adición de una “semilla” que puede ser un pequeño cristal del soluto, o una pequeña partícula sólida, que inicia la precipitación.
Notas sobre los equilibrios de solubilidad
Todas las especies iónicas son solubles en solución hasta cierto punto. Sin embargo, algunas no son tan solubles como otras y alcanzan rápidamente una solución saturada, en la que no se disuelve ningún otro soluto. Las especies iónicas en una solución saturada existen en un estado de equilibrio. Los iones acuosos precipitan constantemente en un sólido, mientras que el sólido iónico se disuelve constantemente en iones acuosos. Sin embargo, en general, la concentración del soluto disuelto sigue siendo la misma. Este es un ejemplo de equilibrio de solubilidad.
La solubilidad de una especie iónica está directamente relacionada con la posición de su equilibrio de disolución. Para las especies totalmente solubles, el equilibrio se encuentra muy a la derecha, por lo que una gran cantidad de la especie se disuelve en el agua antes de que la solución alcance el estado de equilibrio. Para las especies ligeramente solubles, el equilibrio se encuentra en el centro o a la izquierda, por lo que sólo es necesario añadir una pequeña cantidad de la especie al agua antes de que la solución alcance el equilibrio. Una vez que la concentración del soluto disuelto es igual a su solubilidad, se dice que la solución está saturada y se encuentra en equilibrio – no hay más disolución neta.
Definición de solubilidad cinética
Los equilibrios de solubilidad implican la aplicación de principios y constantes químicas para predecir la solubilidad de las sustancias en condiciones específicas (porque la solubilidad es sensible a las condiciones, mientras que las constantes lo son menos).
La sustancia que se disuelve puede ser un sólido orgánico como el azúcar o un sólido iónico como la sal de mesa. La principal diferencia es que los sólidos iónicos se disocian en iones constituyentes cuando se disuelven en agua. Lo más habitual es que el agua sea el disolvente de interés, aunque los mismos principios básicos se aplican con cualquier disolvente.
donde K se denomina constante de equilibrio (o constante de solubilidad). Los corchetes indican la actividad. La actividad de un sólido puro es, por definición, la unidad. Si la actividad de la sustancia en solución es constante (es decir, no se ve afectada por otros solutos que puedan estar presentes) puede sustituirse por la concentración.
Esta afirmación dice que el agua en equilibrio con el azúcar sólido contiene una concentración igual a K. Para el azúcar de mesa (sacarosa) a 25 °C, K = 1,971 mol/L. (Esta es la cantidad máxima de azúcar que puede disolverse a 25 °C; la solución está saturada. Si la concentración es inferior a la saturación, se disuelve más azúcar hasta que la solución se satura o se consume todo el sólido. Si hay más azúcar del que permite la expresión de solubilidad, la solución está sobresaturada y el sólido precipitará hasta que se alcance la concentración de saturación. Este proceso puede ser lento; la expresión de equilibrio describe las concentraciones cuando el sistema alcanza el equilibrio, no la rapidez con que llega a él.
