Solubilidad y Precipitación

La cantidad de soluto, expresada normalmente en gramos, que se disuelve en una cierta cantidad de disolvente (suelen tomarse 100g), para obtener una disolución saturada, se llama solubilidad.

Se dice que un cuerpo es muy soluble, soluble, ligeramente soluble o insoluble, según sea su solubilidad, en un determinado disolvente, muy grande, regular, pequeña o despreciable. Por lo tanto tenemos:

Muy soluble: su solubilidad es mayor a 0,1M
Soluble: su solubilidad es igual a 0,1M
Poco soluble: su solubilidad se sitúa entre 0,1M y 0,001M
Insoluble: su solubilidad no llega a 0,001M

La solubilidad es muy variable de unos cuerpos a otros. Depende de la temperatura, de la presión (en gases) y sobre todo, de la naturaleza del soluto y del disolvente, como podemos ver algunos ejemplos en la siguiente tabla:

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Factores internos que influyen en la solubilidad

Son varios los factores responsables de la solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente. En primer lugar, están las fuerzas atractivas intermoleculares, que es probablemente el factor más importante para explicar la solubilidad. En general, cuando un soluto que designaremos con la letra S, se mezcla con un disolvente D, existen tres tipos de fuerzas atractivas que hay que considerar. Por una parte, están las fuerzas de atracción entre las partículas de soluto entre sí, S-S, o las de disolvente entre sí, D-D, y por otra parte, las fuerzas de atracción entre las partículas de soluto con las de disolvente, S-D.

Cuando una de las dos primeras es mucho mayor que la tercera, el cuerpo S no se disolverá en el disolvente D. Unicamente, cuando ambos tipos de atracción (S-S y D-D por un lado y S-D por otro) sean del mismo orden, tendrá lugar la solución. Este es el fundamento de la regla general de que “semejante disuelve a semejante”, conocida desde tiempos muy antiguos.

De esta forma se explica fácilmente que el azúcar se disuelva en agua, mientras que es insoluble en éter, benceno, tetracloruro de carbono, etc. Las moléculas de azúcar tienen bastantes grupos O-H (de naturaleza dipolar), que se atraen fuertemente con los grupos O-H del agua, pero no muestran ninguna atracción con las moléculas no-polares de éter, benceno, tetracloruro de carbono, etc.

Es también por tanto fácil de comprender que el aceite no se disuelva en agua, debido a la fuerte atracción de las moléculas de agua entre sí (por enlaces de hidrógeno) y la atracción muy débil que existe entre las moléculas bipolares de agua y las no-polares de aceite.

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Efecto de la presión y de la temperatura

Además de los factores internos, que dependen sólo de la naturaleza del soluto y del disolvente, en la solubilidad influyen también otros factores externos, siendo los dos más importantes la presión y la temperatura.

La variación de la presión influye muy poco en la solubilidad de sólidos o de líquidos, pero produce un gran efecto en la solubilidad de gases, que aumenta notablemente al aumentar la presión. Este aumento viene regido por la ley de Henry, llamada así en honor de su descubridor, y que puede enunciarse de la siguiente forma: “a temperatura constante, la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas”. Esta ley no se cumple cuando el gas reacciona químicamente con el disolvente como ocurre, por ejemplo con el cloruro de hidrógeno o el amoniaco, cuando se disuelven en agua. La formación de espuma que se observa al abrir una botella de champán, gaseosa, cerveza o cualquier otra bebida carbónica, es una consecuencia directa de la ley de Henry.

Las bebidas carbónicas están embotelladas a presión mayor que la atmosférica, para aumentar la solubilidad del dióxido de carbono; al abrir la botella, se reduce la presión y dióxido de carbono escapa de la disolución, formando sus burbujas una abundante espuma.

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Solubilidad de compuestos iónicos

Como ya hemos comentado, debido a las intensas fuerzas de atracción entre los iones de carga opuesta, que los mantienen sujetos en los nudos del retículo cristalino, los compuestos iónicos son insolubles en casi todos los disolventes. Unicamente algunos disolventes muy polares, como el agua, el amoniaco líquido, el ácido sulfúrico, etc, son capaces de disolver a los compuestos iónicos. Estos disolventes forman disoluciones conductoras de la electricidad no sólo con compuestos iónicos, sino también con otros solutos más o menos covalentes, como ClH ó SO₄H₂, por lo que reciben el nombre de disolventes ionizantes.

El proceso de disolución se realiza gracias a la fuerte atracción que se ejerce entre los iones y las moléculas polares del disolvente, que hace que éstas se orienten alrededor de los iones de las caras del cristal, tendiendo a sacar a los iones del cristal y pasarlos a la disolución, como es el caso de los iones en una disolución de una sal (Cl^–Na⁺) que podemos ver a continuación:

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Una vez en disolución, los iones siguen rodeados de una capa de moléculas de disolvente, que evita la recombinación de los iones, con los que se impide la recristalización. Estos iones rodeados de moléculas de disolvente se dice que están solvatados y, en particular, hidratados, cuando el disolvente es el agua.

La fuerza de atracción entre los iones y las moléculas del disolvente depende de la polaridad de éstas, es decir, del momento dipolar. Cuanto mayor sea el momento dipolar, mayores serán dichas fuerzas de atracción y resultará más fácil el proceso de disolución. Pero no todas las sustancias se disuelven igual en todos los disolventes.

Muchos compuestos iónicos son bastantes solubles en agua. Cuando se disuelven se disocian completamente en sus iones. Es el caso, por ejemplo de yoduro de sodio, donde el proceso de disociación es completo, la reacción será:

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Como ya sabemos, cualquier cálculo referente a esta reacción implica tener en cuenta, únicamente, su estequiometría. Es decir, que para este ejemplo un mol de NaI proporcionaría un mol de iones Na⁺ y un mol de iones I^–.

Sin embargo, otras muchas sustancias tónicas tienen una solubilidad muy pequeña; son prácticamente insolubles. En estos casos podemos hablar de un estado de equilibrio entre los iones disueltos, fase líquida (acuosa), y la sal sin disolver o precipitada, la fase sólida.

Para un compuesto de fórmula general AnBm, el equilibrio de solubilidad puede representarse por:

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Cualquier cálculo conlleva, necesariamente, además de la estequiometría de la reacción, el uso de la constante de equilibrio que se denomina constante del producto de solubilidad, Ks, o simplemente producto de solubilidad.

La precipitación de un compuesto iónico poco soluble puede tener lugar cuando se mezclan dos disoluciones en las que cada una de ellas contiene uno de los iones que forman dicho compuesto.

Así, el cloruro de plata, AgCl, es una sal de color blanco muy insoluble. Al mezclar una disolución de nitrato de plata, AgNO₃, que contiene el ion Ag⁺, con otra disolución de cloruro sódico que contiene el ion Cl^–, se produce la precipitación del AgCl.

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En la reacción no se escriben los iones NO₃^– y Na⁺ ya que no intervienen en el proceso, son iones espectadores.

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Constante del producto de solubilidad

Incluso en las sustancias más insolubles hay siempre una pequeña proporción de partículas que pasan a la disolución. Este equilibrio, en las sustancias muy poco solubles, está claramente desplazado hacia la forma sólida no disociada.

Como en cualquier equilibrio heterogéneo, la concentración de la especie sólida puede considerarse prácticamente constante e incluirse en el valor de la constante de equilibrio, que adopta la siguiente forma: