Imagina que estás bebiendo una taza de té. Tomas un sorbo, haces una mueca de amargura y le echas un poco de azúcar. Al remover el azúcar, ves cómo desaparece al disolverse en el té, que ahora es más dulce. La capacidad del azúcar para disolverse se basa en su solubilidad.
Fig. 1: Al disolver azúcar en té, estamos observando su solubilidad.
En este artículo, comprenderemos qué factores afectan a la solubilidad y por qué ciertos sólidos son solubles y otros no.
Este artículo trata sobre la solubilidad.
En primer lugar, veremos la definición de solubilidad.
También aprenderemos qué es tanto la solubilidad química como la solubilidad en agua.
Estudiaremos cuáles son los factores que afectan a la solubilidad.
Finalmente, revisaremos las reglas de la solubilidad.
¿Qué es la solubilidad?
La solubilidad es la concentración máxima de soluto (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el disolvente.
En nuestro ejemplo anterior, el azúcar es el soluto que se disuelve en el té, que es el disolvente. Inicialmente, tenemos una solución no saturada, lo que significa que no hemos alcanzado el límite de concentración y el azúcar aún puede disolverse. Cuando añadimos demasiada azúcar, tenemos una solución saturada; esto significa que hemos alcanzado el límite, por lo que el azúcar añadido no se disolverá y acabaremos bebiendo directamente azúcar en gránulos.
Solubilidad química
La solubilidad química es la concentración máxima de soluto químico (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el disolvente químico.
Solubilidad en agua
La solubilidad en agua es la concentración máxima de soluto (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el agua (disolvente).
Factores que afectan a la solubilidad
Veamos ahora cuáles son los factores que afectan a la solubilidad:
Temperatura
La solubilidad depende de la temperatura. Cuando se disuelve un sólido, se rompen enlaces, lo que significa que se necesita calor o energía. Sin embargo, también se libera calor cuando se establecen nuevos enlaces entre el soluto y el disolvente.
Normalmente, el calor necesario es mayor que el calor liberado, por lo que se trata de una reacción endotérmica (ganancia neta de calor). Sin embargo, en algunos casos —como en el del Ca(OH)2— el calor liberado es mayor, por lo que se trata de una reacción exotérmica (pérdida neta de calor).
Entonces, ¿Cómo afecta esto a la solubilidad? Dependiendo de si una reacción es endotérmica o exotérmica, la solubilidad puede cambiar, basándose en el Principio de Le Chatelier.
El Principio de Le Chatelier establece que si se aplica un factor de estrés (calor, presión, concentración de reactivo) a un sistema en equilibrio, el sistema se desplazará para intentar minimizar el efecto del estrés.
Volviendo a nuestro ejemplo del té: supongamos que realmente quieres que tu té sea dulce, pero no te gusta tener que beberte los trozos sólidos. ¿Tendrías que aumentar o disminuir la temperatura para incrementar la solubilidad del azúcar?
Veamos la reacción:
$$C_{12}H_{22}O_{11\,(s)}+\text{soluto}+\text{calor} \rightleftharpoons C_{12}H_{22}O_{aq}$$
La disolución de la sacarosa (azúcar de mesa) es endotérmica, por lo que el calor es un reactivo. Según el Principio de Le Chatelier, el sistema quiere minimizar el estrés, por lo que si aumentamos la temperatura (es decir, añadimos calor), el sistema querrá fabricar más producto para gastar el calor añadido. Esto significa que el azúcar no disuelto ahora podrá disolverse.
Utilizamos curvas de solubilidad, para representar gráficamente el cambio de solubilidad, en función de la temperatura:
Figura 2: La solubilidad de la sacarosa aumenta con la temperatura.
¿Cuántos gramos más de sacarosa pueden disolverse, si se aumenta la temperatura de 40 a 50 °C? (Supongamos 100 g de agua)
Según nuestra curva, a 40 °C se pueden disolver unos 240 g de sacarosa. A 50 °C, son unos 260 g. Por tanto, podemos disolver ~20 g más de sacarosa, si la temperatura aumenta 10 °C.
El hecho de que se pueda disolver más soluto a mayor temperatura se utiliza para formar soluciones sobresaturadas.
En una solución sobresaturada, una solución tiene más soluto disuelto que su solubilidad de equilibrio.
Esto ocurre cuando se disuelve más soluto a una temperatura más alta y, a continuación, se enfría la solución sin que precipite (vuelva a convertirse en sólido) el soluto.
Los calentadores de manos reutilizables son soluciones sobresaturadas. El calentador de manos contiene una solución sobresaturada de acetato de sodio (soluto). Cuando la tira metálica del interior se dobla, libera pequeños trozos de metal. El acetato de sodio utiliza estos trocitos como lugares para la formación de cristales (pasa de disuelto a sólido).
A medida que los cristales se extienden, se libera energía, que es lo que nos calienta las manos. Al poner un calentador de manos en agua hirviendo, el acetato de sodio se vuelve a disolver y puede reutilizarse.
Agitación de la disolución
La agitación de una disolución afecta la velocidad de la disolución. Si mezclamos una disolución, el soluto se disolverá más rápido en el disolvente, que si no la mezclamos.
Fig. 3: Si mezclamos azúcar con café, y agitamos con una cuchara la mezcla,
este se disolverá mucho más rápido que si no utilizamos la cuchara.
Reglas de la solubilidad
Ahora que ya hemos visto cómo cambia la solubilidad con la temperatura, es el momento de analizar qué es lo que hace que algo sea soluble. Para los sólidos iónicos, existen reglas de solubilidad que determinan si se disolverán, o si formarán un precipitado (es decir, permanecerán sólidos):
| Soluto | Excepciones |
| Grupo I y sales de NH4+ | Ninguna |
| Nitratos (NO3-) | Ninguna |
| Percloratos (ClO4-) | Ninguna |
| Fluoruros (F-) | Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+ |
| Haluros (Cl-, Br-, I-) | PbCl2, PbBr2, Ag+, Hg2+, PbI2, CuI, HgI2 |
| Sulfatos (SO42-) | Ca2+, Ag+, Hg+, Sr2+, Ba2+, Pb2+ |
| Acetatos (CH3CO2-) | Ag+, Hg+ |
| Carbonatos (CO32-) | Na+, K+, NH4+ |
| Fosfatos (PO42-) | Na+, K+, NH4+ |
| Sulfuros (S2-) | Na+, K+, NH4+, Mg2+,Ca2+ |
| Hidróxidos (OH-) | Ca2+, Sr2+, Na+, K+, NH4+, Ba2+ |
Tabla 1: Solubilidad, según las reglas.
Clasifica estos compuestos como solubles o insolubles:
a. MgF2:
Mientras que los fluoruros son típicamente solubles, cuando está unido al Mg, es insoluble.
b. CaSO4:
Los sulfatos también son típicamente solubles, pero cuando se une al Ca, es insoluble.
c. CuS:
Los sulfuros son típicamente insolubles, y el Cu no es una de las excepciones, por lo que es insoluble.
d. MgI2:
Los haluros son típicamente solubles, y el Mg no es una excepción, por lo que es soluble.
e. PbBr2:
El bromo es típicamente soluble, pero con el Pb es insoluble.
f. Ca(CH3CO2)2:
Los acetatos son típicamente solubles, y el Ca no es una excepción, por lo que es soluble.
g. NaOH:
Los hidróxidos son típicamente insolubles, pero cuando se une al Na, es soluble.
¿Cómo se calcula la solubilidad, a partir del Kps?
Para terminar, veamos cómo podemos calcular la solubilidad a partir del producto de solubilidad (Kps).
El producto de solubilidad (Kps) indica la solubilidad de un compuesto iónico. Cuanto mayor sea su valor, mayor será la solubilidad del compuesto; y cuando menor sea su valor, menor será la solubilidad.
Los pasos a seguir para llevar a cabo el cálculo de la solubilidad a partir del valor de kps, son los siguientes:
- Escribe la ecuación de equilibrio de solubilidad equilibrada.
- Toma la concentración de equilibrio de cada uno de los productos iónicos acuosos.
- Eleva cada concentración de equilibrio a la potencia de su coeficiente molar en la ecuación de equilibrio balanceado.
- Multiplica estos términos.
Esto, ilustrado con una fórmula, sería como se indica a continuación:
$$A_{a}B_{b}\rightleftharpoons aA^++bB^-$$
Y al fórmula para calcular Kps es la siguiente:
$$Kps=[A]^{a}\cdot [B]^{b}$$
Veamos un ejemplo para entenderlo mejor:
Calcula la solubilidad de PbCl2 diluido en agua pura.
Ten en cuenta que el valor del producto de solubilidad de PbCl2 es KpsPbCl2=1.17·10-5
Solución:
Primero, escribimos la ecuación:
$$PbCl_{2\ (s)}\rightleftharpoons Pb^{2+}+2Cl^{-\ (ac)}$$
Ahora, comparamos el valor de Kps con la ecuación que utilizamos para calcularlo:
$$Kps=[Pb^{2+}]\cdot [Cl^{-}]^{2}$$
Vemos las equivalencias para sustituir en la ecuación:
[Pb2+] = s --> Esto es debido a que la concentración no tiene ningún exponente.
[Cl-]2= 2s--> Debido a que la concentración tiene como exponente "2".
Teniendo en cuenta esto:
$$Kps=[Pb^{2+}]\cdot [Cl^{-}]^{2}$$
$$Kps=s\cdot (2s)^2$$
$$1.17\cdot 10^{-5}=s\cdot (2s)^2$$
$$1.17\cdot 10^{-5}=s\cdot 4s^{2}$$
$$1.17\cdot 10^{-5}=4s^{3}$$
$$s=1.43\cdot 10^{-2}M$$
La solubilidad de PbCl2 es 1.43·10-2M
¡Esperamos que ahora entiendas mejor el concepto de solubilidad!
Solubilidad - Puntos clave
- La solubilidad es la concentración máxima de soluto (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el disolvente.
- La solubilidad química es la concentración máxima de soluto químico (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el disolvente químico.
- La solubilidad en agua es la concentración máxima de soluto (sustancia que se disuelve en un disolvente) que puede disolverse en el agua (disolvente).
- Los principales factores que afectan a la solubilidad son: la temperatura, la cantidad de soluto, la cantidad de disolvente y la agitación de la mezcla.
- El producto de solubilidad (Kps) indica la solubilidad de un compuesto. Cuanto mayor sea su valor, mayor será la solubilidad del compuesto; y cuando menor sea su valor, menor será la solubilidad.
References
- Fig. 1: Taza de té y tetera (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cup_of_green_tea_and_tea_pot_on_table.jpg) by Thomas Berg (https://www.flickr.com/people/47799429@N00) is licensed by CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/deed.en).
- Fig. 3: Cubos de azúcar (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cube_sugar_bowl_at_Matching_Green,_Essex,_England.jpg) by Acabashi (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Acabashi) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
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