La solubilidad en agua es la capacidad de una sustancia para disolverse en otra y puede expresarse en moles por litro, gramos por litro o porcentaje de soluto. Las reglas de solubilidad permiten predecir si un compuesto iónico se disolverá en agua, aunque la solubilidad real también depende de la naturaleza del soluto y del disolvente, la temperatura, la presión, el pH, la forma cristalina y otras condiciones del sistema.
Los compuestos iónicos se descomponen en iones cuando se disuelven en agua. Los iones se separan y se mueven libremente. Este proceso se llama disociación. La solubilidad es la clave de muchas reacciones, como las de precipitación.
Qué es la solubilidad en agua
La solubilidad es una medida de la cantidad de una sustancia que puede disolverse en un disolvente. La sustancia que se disuelve se denomina soluto y la sustancia donde se disuelve el soluto se llama disolvente. El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones.
La idea básica es que el agua puede contener una cierta cantidad de la sustancia disuelta. Si se alcanza este límite, se habla de saturación. Por encima de este límite de saturación, nada puede disolverse en agua. En algunas condiciones se puede sobrepasar la solubilidad, denominándose a estas soluciones sobresaturadas.
En la práctica cotidiana, la solubilidad nos indica si una sal o un azúcar se desvanecerán en el agua. Por ejemplo, la sal de mesa se disuelve bien. La arena no se disuelve. No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente, por ejemplo en el agua, se disuelve el alcohol y la sal. El aceite y la gasolina no se disuelven.
Cómo se produce la disolución
La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.
Una de las propiedades más destacadas del agua es su capacidad de disolver muchos elementos, sustancias e incluso gases. La naturaleza utiliza esta propiedad, el agua disuelve los minerales de su entorno y los transporta con ella. Por eso el agua de mar es salada, así se forman cuevas de estalactitas o se suministran minerales a las plantas.
El agua es uno de los pocos líquidos que disuelve fácilmente muchos sólidos iónicos. Pocas otras moléculas son lo suficientemente pequeñas y polares para agruparse alrededor de iones positivos y negativos en solución. Cuando los iones se disuelven en agua, atraen y retienen varios dipolos de agua a su alrededor.
El lado negativo (oxígeno) de una molécula de agua dipolar atrae y es atraído por cualquier ion positivo en la solución. Debido a esta fuerza ion-dipolo, las moléculas de agua se agrupan alrededor de iones positivos. De manera similar, los extremos positivos (hidrógeno) de las moléculas de agua son atraídos por iones negativos.
El proceso por el cual un ion positivo o negativo atrae moléculas de agua a su vecindad inmediata se denomina hidratación. La hidratación de cationes y aniones en solución acuosa evita que se atraigan entre sí en una red cristalina y se precipiten.
Reglas de solubilidad de los compuestos iónicos
Las reglas de solubilidad son directrices que indican qué compuestos iónicos se disuelven en agua y cuáles no. Existen patrones claros. Muchos compuestos iónicos con un nitrato o un metal alcalino son solubles. Esto significa que se disuelven independientemente de los otros iones presentes.
Estas reglas son guías sencillas que ahorran tiempo en el laboratorio. Los compuestos iónicos se descomponen en iones cuando se disuelven en agua. Las reglas nos ayudan a predecir si un nuevo compuesto se disolverá bien en agua.
| Regla | Comportamiento general | Excepciones o matices |
|---|---|---|
| Compuestos con nitratos (NO3-) | Son solubles. | No se indica una excepción general. |
| Iones de metales alcalinos | Son solubles. | Incluyen litio, sodio, potasio, rubidio y cesio. |
| Compuestos de amonio | Son solubles. | No se indica una excepción general. |
| Cloruros, bromuros y yoduros | Suelen ser solubles. | Excepciones con plata, plomo y mercurio. |
| Sulfatos | Suelen ser solubles. | Excepciones con bario, plomo y calcio. |
| Carbonatos, fosfatos e hidróxidos | Suelen ser insolubles. | Presentan algunas excepciones. |
Iones siempre solubles
Ciertos iones siempre dan lugar a compuestos solubles. Los iones de metales alcalinos (litio, sodio y potasio) son los mejores ejemplos. El ion amonio también es uno de ellos. Muchos compuestos iónicos con un nitrato o un metal alcalino son solubles.
Los iones de metales alcalinos (litio, sodio, potasio, rubidio, cesio) son solubles. Los compuestos con nitratos (NO3-) son solubles. Los compuestos de amonio son solubles.
Iones ligeramente solubles
Algunos iones forman compuestos que no se disuelven completamente. El sulfato de calcio es un ejemplo típico. El sulfato de plomo también muestra baja solubilidad.
Cuando veamos estos iones, debemos tener cuidado. Puede que los compuestos sólo se disuelvan en unos pocos iones. Esta solubilidad parcial puede afectar a los procesos químicos.
En muchas aplicaciones industriales, la solubilidad parcial es importante para hacer precipitados con fines de separación. La solubilidad es la clave de muchas reacciones, como las de precipitación. Hace o deshace el proceso.
Iones y compuestos insolubles
Unos pocos iones prácticamente nunca forman compuestos solubles en agua. Entre ellos se encuentran los iones carbonato, los iones fosfato y los iones hidróxido. Por ejemplo, muchos carbonatos metálicos formarán un depósito sólido en una reacción.
Los carbonatos, fosfatos e hidróxidos suelen ser insolubles, con algunas excepciones. Los cloruros, bromuros y yoduros suelen ser solubles, excepto con la plata, el plomo y el mercurio. Los sulfatos también suelen ser solubles, excepto los de bario, plomo y calcio.
A menudo observo que los compuestos insolubles son muy útiles. Nos ayudan a conducir una reacción formando un sólido que se puede eliminar fácilmente. En muchos experimentos químicos, un producto insoluble confirma que se ha producido una reacción.
Principales excepciones
No todos los compuestos siguen las pautas generales. Algunos compuestos rompen las reglas. Por ejemplo, mientras que la mayoría de los hidróxidos son insolubles, el hidróxido de sodio es soluble.
Muchos factores pueden causar excepciones. La temperatura y otras condiciones pueden modificar la solubilidad de una sal. Estas excepciones deben comprobarse cuando se trabaja con compuestos nuevos.
La tabla es lo suficientemente sólida para la mayoría de los trabajos de rutina. Consulte siempre su manual de laboratorio cuando trabaje con nuevos compuestos. F: ¿Siguen todos los compuestos iónicos las reglas de solubilidad? P: La mayoría sí, pero algunos rompen las reglas.
Cómo aplicar las reglas de solubilidad
La práctica es la clave para comprender las reglas de solubilidad. Escribe la fórmula de un compuesto y compárala con las reglas. Por ejemplo, el cloruro potásico. La regla de los metales alcalinos indica que es soluble.
A continuación, considera el sulfato de bario. Las reglas indican que es insoluble. Esta práctica aumenta tu confianza en el laboratorio.
El procedimiento general consiste en identificar los iones del compuesto, localizar el anión o el catión en las reglas, comprobar las excepciones y decidir si el compuesto se considera soluble, ligeramente soluble o insoluble en las condiciones indicadas.
Polaridad del soluto y del disolvente
En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a estos la sustancia será más o menos soluble. Los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico.
Entonces para que sea soluble en éter etílico ha de tener escasa polaridad, es decir no ha de tener más de un grupo polar el compuesto. Los compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad como son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados.
La elección del disolvente depende de la naturaleza del soluto. Los disolventes polares favorecen generalmente la disolución de sustancias polares o iónicas, mientras que los disolventes apolares resultan más adecuados para compuestos de baja polaridad.
Efecto de la temperatura y la presión
El segundo factor es la temperatura. En la Farmacopa, un trabajo estándar de la farmacia europea, se dan datos sobre la solubilidad para una temperatura entre 15°C y 25°C.
La temperatura no siempre tiene el mismo efecto sobre la solubilidad, algunas sustancias se vuelven más solubles a temperaturas más altas, otras tienden a precipitarse a temperaturas más altas. El tema es muy complejo y llena filas enteras de estanterías de bibliotecas con literatura especializada.
El método preferido para hacer que el soluto se disuelva en esta clase de soluciones es calentar la muestra. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema.
F: ¿Puede afectar la temperatura a la solubilidad? P: Sí, la temperatura puede aumentar o disminuir la solubilidad de un compuesto.
Condiciones que pueden modificar la solubilidad
Incluso cuando se usa un solvente apropiado, la solubilidad de una sustancia puede verse afectada por el solvente usado para la cristalización del compuesto, contenido de solvente residual, polimorfismo, sal versus forma libre, grado de hidratación, temperatura del solvente y oxígeno disuelto.
Contenido de disolvente residual
La selección apropiada de un solvente para la síntesis de un compuesto es crítica para el rendimiento y / o la determinación de características tales como forma cristalina, pureza y solubilidad. Sin embargo, al completar este proceso sintético, es posible que el solvente no se elimine completamente y permanezca como una impureza.
La Farmacopea de Estados Unidos USP <467> Residual Solvents y ICH Q3C Guidelines for Residual Solvents proporcionan límites permitidos y criterios de prueba para solventes residuales en productos farmacéuticos basados en la carcinogenicidad, neurotoxicidad o teratogenicidad del solvente.
La presencia de estas impurezas también puede tener efectos no deseados en el uso no clínico, por lo que la reducción de su presencia es fundamental. Los disolventes residuales se identifican típicamente mediante cromatografía de gases de espacio de cabeza (GC) junto con la identificación y cuantificación mediante espectrometría de masas (GC-MS). Pueden minimizarse mediante diversas técnicas de secado.
Polimorfismo y solvatos
El polimorfismo se refiere a la cristalización del mismo compuesto en diferentes formas cristalinas. Está relacionado con la formación de solvatos, donde las moléculas de disolvente se encuentran dentro de la estructura cristalina.
La eliminación o adición de solventes cambiará la estructura de los materiales. El polimorfismo ocurre por diferentes condiciones de procesamiento, como presión y temperatura.
Los diferentes polimorfos tienen diferentes energías de red que deben superarse para entrar en solución, por lo que pueden tener diferencias en la disolución. Tenga en cuenta que la forma termodinámicamente estable de un compuesto es a menudo la forma menos soluble.
Sal y forma libre
El uso de una forma de sal del ácido libre o base libre (forma no ionizada) facilita la solubilidad y la velocidad de disolución debido a la acción tamponadora de la sal. Normalmente, las sales se cristalizan fácilmente.
Las interacciones iónicas en la red de cristales de sal aumentan la hidrofilicidad de un compuesto sólido y, por tanto, pueden facilitar la humectabilidad. Además, la presencia de contraiones disueltos desplaza el pH hacia dominios de pH de mayor solubilidad para un compuesto.
Una base débil formulada como sal tendrá una mayor solubilidad y velocidad de disolución en una solución de pH normal, ya que al disolverse la forma de sal liberará protones al medio disminuyendo el pH del entorno circundante.
Por el contrario, la disolución de ácidos débiles en forma de sal aumentará el pH del entorno circundante en una solución muy ácida. Es probable que los ácidos libres sean más solubles en un disolvente apolar.
Tenga en cuenta que la mejora de la velocidad de disolución puede resultar en un nivel de sobresaturación que puede provocar la precipitación de la forma libre fuera de la solución.
Grado de hidratación
El grado de hidratación depende del tamaño del ion. A medida que aumenta el tamaño, la energía de hidratación disminuye.
A medida que las moléculas de agua son atraídas por los iones, hay una disminución neta de la energía potencial de las partículas compuestas y se desprende energía térmica. La energía de hidratación significativa de estos contraiones típicamente contribuye a la ganancia neta general en los niveles de energía libre durante el proceso de disolución.
Oxígeno disuelto
El oxígeno disuelto figura entre las condiciones que pueden afectar la solubilidad de una sustancia. La solubilidad de gases en agua también forma parte de este fenómeno: el dióxido de carbono en el agua mineral o en la cerveza no es más que gas disuelto en el agua.
Solubilidad y cristalización
Los sólidos se purifican mediante cristalización, que implica disolver un sólido impuro en un disolvente. Para los sólidos que no son sensibles a altas temperaturas, se agrega una cantidad mínima de solvente caliente al sólido impuro y, una vez disuelto, se deja enfriar gradualmente a temperatura ambiente con lo cual se forman cristales casi puros.
Un solvente ideal para este proceso debe permitir que la sustancia se disuelva a temperaturas cercanas a la ebullición, mientras que solo permite una ligera solubilidad a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, las impurezas disueltas deben ser altamente solubles en el solvente tanto a temperaturas altas como bajas.
El compuesto debe precipitar de la solución a temperaturas más frías para permitir su separación del solvente y las impurezas disueltas por filtración. A veces se requiere una mezcla de dos o más disolventes en una proporción específica para lograr esta solubilidad dependiente de la temperatura.
Para compuestos sensibles al calor, se puede usar un método de difusión en el que el sólido impuro se disuelve en una cantidad mínima de disolvente en el que es altamente soluble. Un disolvente en el que el compuesto es insoluble se coloca lentamente sobre esta solución.
La difusión lenta del disolvente «insoluble» en el disolvente «soluble» hará que los cristales crezcan gradualmente en la interfaz entre los dos disolventes. Para que la difusión funcione, las impurezas deben ser solubles en ambos disolventes.
Disolventes comunes para cristalización
La elección de un segundo disolvente para una mezcla suele requerir prueba y error, pero hay algunas mezclas que suelen tener éxito. Por ejemplo, el éter dietílico-metanol (o etanol) es compatible con sólidos altamente asociados y muchos productos naturales. El éter dietílico-benceno funciona bien para compuestos polares e hidrocarburos.
| Disolvente | Compuestos compatibles | Segundo disolvente | Observaciones |
|---|---|---|---|
| Water | Salts, amides, some carboxylic acids | Acetone, alcohols, dioxane, acetonitrile | Precipitates dry slowly |
| Acetic acid | Salts, amides, some carboxylic acids | Water | Difficult to remove; pungent odor |
| Acetonitrile | Polar compounds | Water, ethyl ether, benzene | |
| Methanol | General esters, nitro, and bromo compounds | Water, ethyl ether, benzene | |
| Ethanol | General esters, nitro, and bromo compounds | Water, hydrocarbons, ethyl acetate | |
| Acetone | General nitro and bromo compounds, osazones | Water, hydrocarbons, ethyl ether | Should be dried if not used with water |
| Methyl acetate | General esters | Water, ethyl ether | |
| Ethyl acetate | General esters | Ethyl ether, hydrocarbons, benzene | |
| Diethyl ether | General, low-melting compounds | Acetone, hydrocarbons | May creep up the side of flask and deposit precipitate |
| Chloroform | General, acid chlorides | Ethanol, hydrocarbons | Easily removed and dried |
| 1,4-Dioxane | Amides | Water, benzene, hydrocarbons | May form solvates with some ethers |
| Toluene | Aromatics, hydrocarbons | Ethyl ether, ethyl acetate, hydrocarbons | |
| Benzene | Aromatics, hydrocarbons, molecular complexes | Ethyl ether, ethyl acetate, hydrocarbons | Cumulatively toxic |
| Pentane | Hydrocarbons | Ethanol, acetone, methyl acetate, ethyl acetate, diethyl ether, chloroform, 1,4-dioxane, toluene, benzene, hexane, cyclohexane | |
| Hexane | Hydrocarbons | Ethanol, acetone, methyl acetate, ethyl acetate, diethyl ether, chloroform, 1,4-dioxane, toluene, benzene, pentane, cyclohexane | |
| Cyclohexane | Hydrocarbons | Ethanol, acetone, methyl acetate, ethyl acetate, diethyl ether, chloroform, 1,4-dioxane, toluene, benzene, pentane, hexane |
Importancia práctica de la solubilidad
La solubilidad tiene muchas aplicaciones. En medicina, ayudan a los ingenieros a diseñar mejores sistemas de administración de fármacos. En ciencias medioambientales, ayudan a tratar las aguas residuales prediciendo qué metales peligrosos se disolverán.
En la construcción, conocer la solubilidad es clave para mezclar mejores morteros y cementos. En la química o farmacéutica, la solubilidad en agua es un requisito previo para muchos procesos.
El fabricante prepara el concentrado, lo lleva al cliente y lo disuelve en agua. Disolvemos azúcar en café, té u otras bebidas, por nombrar sólo algunos ejemplos. El dióxido de carbono en el agua mineral o en la cerveza no es más que gas disuelto en el agua.
Importancia de reconocer los límites de la predicción
Las reglas constituyen la base de muchas reacciones químicas y aplicaciones del mundo real. Las reglas ahorran tiempo y hacen que nuestro trabajo sea preciso.
La tabla de solubilidad ofrece una predicción inicial, pero no reemplaza la comprobación de las condiciones concretas. El pH, la temperatura, la presión, la forma cristalina, el grado de hidratación y la presencia de otros solutos pueden modificar el comportamiento observado.
Con largos años de práctica, podrás utilizarlas fácilmente tanto para trabajos académicos como para aplicaciones prácticas. Ten las tablas a mano y recuerda que pueden producirse algunas excepciones.
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