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Solubilidad

Contenido del artículo
La solubilidad es variable
Influencia de la temperatura
Solubilidad de gases
Molaridad
Composición en %



En el artículo Soluciones se trató el tema de la interacción entre soluto y solvente desde el punto de vista energético a la hora de formar soluciones, pero saber porqué unas sustancias se disuelven en otras no es todo lo necesario, cuando se trabaja con soluciones es muy importante saber cual es la cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad de solvente. Esta necesidad dio lugar al nacimiento del concepto de solubilidad.

La máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad dada de solvente se conoce como solubilidad del soluto.

Es común que la solubilidad se tome en la práctica en base a 100 gramos de solvente, de modo que con frecuencia la solubilidad se enuncia como:

La máxima cantidad de soluto que puede disolverse en 100 g de solvente.

En ambas formas de enunciarse la solubilidad como concepto, se habla de la máxima cantidad y cuando una solución tiene la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en el solvente se dice que la solución está saturada. Esto nos permite enunciar la solubilidad de otro modo:

La solubilidad de un soluto es aquella cantidad de él que al disolverse en un solvente produce una solución saturada.

La solubilidad es variable

Decir que un soluto tiene determinada solubilidad no es toda la historia, por ejemplo, si usted dice: "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua" ha brindado una información aun inútil, solo ha dado el "nombre" de la cuestión, a ese nombre le falta el "apellido". Si, así mismo, está incompleta la magnitud de la solubilidad en agua si no se dice la temperatura a la que se ha medido esa solubilidad, de manera que lo correcto es decir "el azúcar de mesa (sacarosa) tiene una solubilidad de 190.5 g en 100 g de agua a 10°C" y con ello estamos definiendo con exactitud la máxima cantidad de sacarosa que se disuelve en 100 g de agua en una situación particular de temperatura. De no hacerlo estamos cometiendo un error de gran magnitud ya que, por ejemplo, 100 g de agua a 90°C pueden disolver 420.0 g de sacarosa ¡mas del doble!

Influencia de la temperatura

Bueno, de lo descrito arriba se puede concluir que la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura del solvente, y esto es cierto para la mayoría de los sólidos, decimos "mayoría" porque hay excepciones como puede verse en la figura 1 abajo donde se muestra la solubilidad de algunas sustancias en agua de acuerdo a la temperatura.
Carta de solubilidad
Figura 1. Solubilidad en agua de algunas sustancias en relación con la temperatura.

El aumento de la solubilidad no es igual para todas las sustancias; observe que el aumento de esta con la temperatura es muy poca para cloruro de sodio (NaCl), al contrario, el aceato de sodio (CH3CO2Na) sufre un incremento muy pronunciado, y con comportamiento excepcional está el sulfato de cerio Ce2(SO4)3 cuya solubilidad desciende con el aumento de la temperatura. Note que en la tabla la solubilidad se expresa como la relación entre unidades de masa (g de soluto/100 g de solvente). Pero también en la práctica es común que se use en forma de unidades de masa/unidades de volumen, por ejemplo, g de soluto/100 ml de solvente.

La única forma segura de determinar el comportamiento de la solubilidad de una sustancia cualquiera cuando cambia la temperatura es en forma experimental y como regla general:

La solubilidad de sólidos en líquidos aumenta con el aumento de la temperatura.

Solubilidad de gases

En los sistemas donde un gas se disuelve en un líquido, la solubilidad se reduce con el aumento de la temperatura, usted debe tener cuenta de eso cuando nota el cambio en la cantidad de "gas" de una gaseosa cuando se calienta. La sensación "picante" del dióxido de carbono (CO2) disuelto en el líquido, que se nota cuando se toma la gaseosa fría, desaparece en la gaseosa caliente y esta tiene un sabor "plano" debido a que el gas se a escapado al aumentar la temperatura. De esto podemos establecer la segunda regla de la solubilidad:

La solubilidad de los gases en los líquidos disminuye con el aumento de la temperatura.


Pero no solo la temperatura influye en la solubilidad de los gases, también influye la presión, a medida que la presión del gas que se encuentra por encima de una fases líquida se incrementa, la cantidad  de gas que se ve forzado a entrar en el líquido también aumenta, de modo que se puede decir:

La solubilidad de los gases en líquidos aumenta al aumentar la presión.

Molaridad


El gráfico de la figura 1 arriba muestra el comportamiento de las soluciones saturadas de diversas sustancias en relación a la temperatura de la solución, de modo que podemos decir que a 20°C se disuelven unos 85 g de glucosa (un tipo de azúcar) en 100 g de agua (de acuerdo a la precisión que permite el gráfico). Pero no siempre se necesitan soluciones saturadas tan dulces, de modo que quizás necesitemos disolver 30 g en lugar de 85 para hacer una solución menos dulce. Y esto es posible, ya que los 85 gramos son la máxima cantidad posible a esa temperatura y 30 g es bastante menos. Ambas soluciones, la saturada y la que necesitamos preparar se diferencian en su concentración.

La concentración puede variar mucho, desde la participación de cantidades mínimas de soluto hasta la saturación, y en la práctica se usan dos términos que valoran cualitativamente la concentración de la solución. Supongamos que usted tiene unos amigos visitando la casa y decide brindar una limonada, toma unos pocos limones, los exprime en una jarra con agua y le agrega algo de azúcar. Luego llena sendos vaso con la limonada y los ofrece, como hay confianza, uno de su amigos le dice "¡oye, esta limonada esta floja!" y los demás asienten con la cabeza. Entonces, avergonzado, retira los vasos y prepara una limonada nueva, pone en ella un buen grupo de limones, le agrega abundante aźucar y repite el ofrecimiento. Cuanta satisfacción siente cuando ahora todos dicen "¡ahora si está fuerte! . Los teŕminos "floja" y "fuerte" se han referido cualitativamente a la concentración, pero técnicamente no se usan estos términos coloquiales en su lugar se usan diluida y concentrada de forma que la primera limonada estaba diluida y la segunda concentrada. Ya tenemos tres términos que definen una solución cualitativamente: saturada, diluida y concentrada.

Sin embargo, en muchas situaciones no alcanza con saber si la solución es diluida, concentrada o saturada, se necesita saber exactamente que cantidad de soluto está presente en la solución en relación a la cantidad de solvente, es decir una descripción cuantitativa de la concentración. De hecho, la diferencia entre un veneno y un medicamento es la concentración de la sustancia activa incluida, una tableta con 10 mg del componente activo puede curar una enfermedad pero la misma tableta con 200 mg puede ser letal.

El término "saturada" aunque es de tipo cualitativo tiene también un significado cuantitativo, pero desafortunadamente, con solo saber que una solución es saturada no nos permite saber directamente cuanto soluto tiene la solución, necesitamos auxiliarnos de los gráficos de la figura 1. Lo mejor para cuantificar la concentración de una solución es un  concepto que diga instantáneamente la cantidad de soluto presente en el solvente y este concepto, usado mucho por los químicos, se llama molaridad.

La molaridad trata la cantidad de soluto en términos de moles y el solvente en términos de volumen de forma que la molaridad queda definida como:

La molaridad de una solución está definida por el número de moles de soluto disueltos en un litro de solución.

Hay que notar algo importante en la definición de molaridad y que conduce fácilmente a errores, la molaridad se refiere a un litro de solución, NO a un litro de solvente.

Matemáticamente:

    (Expresión 1)

Preparemos una solución 1-molar (1 M) de cloruro de sodio (NaCl); no cometa el error de disolver 58.443 g (1 mol) de cloruro de sodio en un litro de agua, lo que se debe hacer es:
  1. Poner en un recipiente inerte, por ejemplo, un matraz aforado 58.433 gramos de NaCl.
  2. Agregar un poco de agua y remover hasta que se disuelva toda la sal, digamos 3/4 de litro.

  3. Con la sal ya disuelta, completar con agua suficiente el matraz hasta la marca de 1 litro.
La molaridad nos da lo que queríamos, una medida cuantitativa de la concentración, si usted tiene una botella con una solución salina 1 M sabe exactamente la concentración de forma cuantitativa. Cada litro de solución contiene exactamente 1 mol (58.433 g) de cloruro de sodio, de la misma forma medio litro tendría 29. 222 g (1/2 mol) de sal. Si la solución es 2 M entonces en cada litro hay 116.886 g de NaCl (2 moles).

Composición en %

El uso de la molaridad es un método excelente para cuantificar la concentración de una solución, pero en la práctica usted puede tropezar con la concentración expresada en porcentaje, es decir composición en porciento. De modo general el % es similar a la molaridad, en ambos casos la magnitud numérica se expresa como:

   (Expresión 2)

Para la molaridad el numerador se expresa en moles y el denominador en litros mientras que para la concentración porcentual, aunque en esencia es la misma definición, usa diferentes cantidades en el numerador y el denominador. La concentración en % puede adquirir tres formas:

(Expresión 3)
Composición en % en masa

    (Expresión 4)
Composición en % en volumen

    (Expresión 5)
Composición en % masa/volumen


La composición en masa se usa a menudo para expresar la concentración de una solución en la que una cantidad de gramos de soluto sólido se han disuelto en una cantidad de masa (g) de solvente líquido. Digamos, por ejemplo, si usted disuelve 10 g de sal común en la cantidad de agua necesaria para formar 100 g de solución esta tendrá una concentración de 10% en masa.


Cuando el soluto y el solvente son líquidos, es común que se use la composición por volumen, por ejemplo, si agregamos agua a 25 mL de alcohol hasta formar 100 mL de solución tendremos una concentración de 25% en volumen. Puede parecer que estamos tomando un cuidado innecesario al preparar la solución al 25% en volumen de etanol-agua, si son dos líquidos porqué no mezclamos 25 mL de etanol y 75 mL de agua y punto. Simplemente porque 25 mL de etanol + 75 mL de agua dan una cantidad de solución ligeramente menor que 100 mL, por eso la clave es:

Agregue solvente hasta que la solución sea de 100 ml.

Para facilitar hemos preparado 100 ml de solución en las dos soluciones, pero en general eso no es siempre el caso, de modo que para otras cantidades de solución deben usarse las expresiones de la 3 a la 5 para realizar los cálculos pertinentes.

Tenga presente que cuando se preparan soluciones por concentración en % siempre se debe especificar si es en masa, en volumen o en masa/volumen, de lo contrario no se podrá saber cuanto soluto existe en la solución, de este modo si usted tiene una solución agua-alcohol al 5% sin especificar la vía de preparación se pueden dar dos casos:
  1. Si la preparación fue en masa se tienen 5 g de alcohol por cada 100 gramos de solución.
  2. Si la preparación fue en volumen, entonces, como el alcohol tiene una densidad de 0.7893 g/mL, los 5 mL de alcohol utilizados solo representan 3.9 g.


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