En química , la solubilidad es la capacidad de una sustancia , el soluto , de formar una solución con otra sustancia, el disolvente . La insolubilidad es la propiedad opuesta, la incapacidad del soluto para formar dicha solución.
El grado de solubilidad de una sustancia en un disolvente específico generalmente se mide como la concentración del soluto en una solución saturada, aquella en la que no se puede disolver más soluto. [1] En este punto, se dice que las dos sustancias están en el equilibrio de solubilidad . Para algunos solutos y disolventes, puede que no exista tal límite, en cuyo caso se dice que las dos sustancias son " miscibles en todas las proporciones" (o simplemente "miscibles"). [2]
El soluto puede ser un sólido , un líquido o un gas , mientras que el disolvente suele ser sólido o líquido. Ambos pueden ser sustancias puras o pueden ser ellos mismos soluciones. Los gases son siempre miscibles en todas las proporciones, excepto en situaciones muy extremas, [3] y un sólido o un líquido puede "disolverse" en un gas sólo pasando primero al estado gaseoso.
La solubilidad depende principalmente de la composición del soluto y del disolvente (incluido su pH y la presencia de otras sustancias disueltas), así como de la temperatura y la presión. La dependencia a menudo puede explicarse en términos de interacciones entre las partículas ( átomos , moléculas o iones ) de las dos sustancias y de conceptos termodinámicos como entalpía y entropía .
Bajo ciertas condiciones, la concentración del soluto puede exceder su límite de solubilidad habitual. El resultado es una solución sobresaturada , que es metaestable y excluirá rápidamente el exceso de soluto si aparece un sitio de nucleación adecuado. [4]
El concepto de solubilidad no se aplica cuando existe una reacción química irreversible entre las dos sustancias, como la reacción del hidróxido de calcio con el ácido clorhídrico ; aunque se podría decir, informalmente, que uno "disolvió" al otro. La solubilidad tampoco es lo mismo que la velocidad de solución , que es la rapidez con la que un soluto sólido se disuelve en un disolvente líquido. Esta propiedad depende de muchas otras variables, como la forma física de las dos sustancias y la forma e intensidad de la mezcla.
El concepto y la medida de la solubilidad son extremadamente importantes en muchas ciencias además de la química, como la geología , la biología , la física y la oceanografía , así como en la ingeniería , la medicina , la agricultura e incluso en actividades no técnicas como la pintura , la limpieza , la cocina , y elaboración de cerveza . La mayoría de las reacciones químicas de interés científico, industrial o práctico sólo ocurren después de que los reactivos se hayan disuelto en un disolvente adecuado. El agua es, con diferencia, el disolvente de este tipo más común.
El término "soluble" se utiliza a veces para materiales que pueden formar suspensiones coloidales de partículas sólidas muy finas en un líquido. [5] Sin embargo, la solubilidad cuantitativa de estas sustancias no suele estar bien definida.
La solubilidad de un soluto específico en un solvente específico generalmente se expresa como la concentración de una solución saturada de los dos. [1] Se puede utilizar cualquiera de las diversas formas de expresar la concentración de soluciones, como la masa , el volumen o la cantidad en moles del soluto para una masa, volumen o cantidad molar específica del disolvente o de la solución.
En particular, los manuales de química suelen expresar la solubilidad como gramos de soluto por 100 mililitros de disolvente (g/(100 ml)), o como gramos de soluto por decilitro de disolvente (g/dL); o, con menos frecuencia, como gramos de soluto por litro de disolvente (g/L). En cambio, la cantidad de disolvente se puede expresar en masa, como gramos de soluto por 100 gramos de disolvente (g/(100 g)), o como gramos de soluto por kilogramo de disolvente (g/kg). El número puede expresarse como un porcentaje en este caso, y la abreviatura "p/p" puede usarse para indicar "peso por peso". [6] (Los valores en g/L y g/kg son similares para el agua, pero puede que no sea el caso para otros disolventes).
Alternativamente, la solubilidad de un soluto se puede expresar en moles en lugar de masa. Por ejemplo, si la cantidad de disolvente se da en kilogramos , el valor es la molalidad de la solución (mol/kg).
La solubilidad de una sustancia en un líquido también se puede expresar como la cantidad de soluto por cantidad de solución , en lugar de disolvente. Por ejemplo, siguiendo la práctica común en titulación , se puede expresar en moles de soluto por litro de solución (mol/L), la molaridad de esta última.
En contextos más especializados, la solubilidad puede estar dada por la fracción molar (moles de soluto por el total de moles de soluto más disolvente) o por la fracción de masa en equilibrio (masa de soluto por masa de soluto más disolvente). Ambos son números adimensionales entre 0 y 1 que pueden expresarse como porcentajes (%).
Para soluciones de líquidos o gases en líquidos, a las cantidades de ambas sustancias se les puede dar volumen en lugar de masa o cantidad molar; como litro de soluto por litro de disolvente, o litro de soluto por litro de solución. El valor se puede dar como porcentaje y se puede utilizar la abreviatura "v/v" de "volumen por volumen" para indicar esta elección.
La conversión entre estas diversas formas de medir la solubilidad puede no ser trivial, ya que puede requerir conocer la densidad de la solución, que a menudo no se mide y no se puede predecir. Si bien la masa total se conserva mediante disolución, el volumen final puede ser diferente tanto del volumen del disolvente como de la suma de los dos volúmenes. [7]
Además, muchos sólidos (como ácidos y sales ) se disociarán de formas no triviales cuando se disuelvan; por el contrario, el disolvente puede formar complejos de coordinación con las moléculas o iones del soluto. En esos casos, la suma de los moles de moléculas de soluto y disolvente no es realmente el total de moles de solución de partículas independientes. Para evitar ese problema, la solubilidad por mol de solución generalmente se calcula y cita como si el soluto no se disocia ni forma complejos, es decir, suponiendo que la cantidad molar de solución es la suma de las cantidades molares de las dos sustancias. .
El grado de solubilidad varía ampliamente, desde infinitamente soluble (sin límite, es decir, miscible [2] ), como el etanol en agua, hasta esencialmente insoluble, como el dióxido de titanio en agua. También se utilizan otros términos descriptivos para calificar el grado de solubilidad de una aplicación determinada. Por ejemplo, la Farmacopea de EE. UU. proporciona los siguientes términos, según la masa m sv de disolvente necesaria para disolver una unidad de masa m su de soluto: [8] (Las solubilidades de los ejemplos son aproximadas, para agua a 20-25 °C .)
Los umbrales para describir algo como insoluble, o términos similares, pueden depender de la aplicación. Por ejemplo, una fuente afirma que las sustancias se describen como "insolubles" cuando su solubilidad es inferior a 0,1 g por 100 ml de disolvente. [9]
La solubilidad se produce en equilibrio dinámico, lo que significa que la solubilidad resulta de procesos simultáneos y opuestos de disolución y unión de fases (por ejemplo, precipitación de sólidos ). El equilibrio de solubilidad se produce cuando los dos procesos avanzan a velocidades iguales y opuestas. [ se necesita aclaración ]
El término solubilidad también se utiliza en algunos campos donde el soluto se altera mediante solvólisis . Por ejemplo, se dice que muchos metales y sus óxidos son "solubles en ácido clorhídrico", aunque en realidad el ácido acuoso degrada irreversiblemente el sólido para dar productos solubles. También es cierto que la mayoría de los sólidos iónicos se disuelven en disolventes polares, pero dichos procesos son reversibles. En aquellos casos en los que el soluto no se recupera tras la evaporación del disolvente, el proceso se denomina solvólisis. El concepto termodinámico de solubilidad no se aplica directamente a la solvólisis.
Cuando un soluto se disuelve, pueden formar varias especies en la solución. Por ejemplo, una suspensión acuosa de hidróxido ferroso , Fe(OH)
2, contendrá la serie [Fe(H 2 O) x (OH) x ] (2x)+ así como otras especies. Además, la solubilidad del hidróxido ferroso y la composición de sus componentes solubles dependen del pH . En general, la solubilidad en la fase disolvente puede darse sólo para un soluto específico que sea termodinámicamente estable, y el valor de la solubilidad incluirá todas las especies en la solución (en el ejemplo anterior, todos los complejos que contienen hierro).
La solubilidad se define para fases específicas . Por ejemplo, se espera que la solubilidad de la aragonita y la calcita en agua difieran, aunque ambos son polimorfos de carbonato de calcio y tienen la misma fórmula química . [ se necesita aclaración ]
La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y el cambio de entropía que acompaña a la solvatación. Factores como la temperatura y la presión alterarán este equilibrio, cambiando así la solubilidad.
La solubilidad también puede depender en gran medida de la presencia de otras especies disueltas en el disolvente, por ejemplo, aniones formadores de complejos ( ligandos ) en líquidos. La solubilidad también dependerá del exceso o deficiencia de un ion común en la solución [ se necesita clarificación ] , fenómeno conocido como efecto del ion común . En menor medida, la solubilidad dependerá de la fuerza iónica de las soluciones. Los dos últimos efectos se pueden cuantificar utilizando la ecuación de equilibrio de solubilidad .
Para un sólido que se disuelve en una reacción redox, se espera que la solubilidad dependa del potencial (dentro del rango de potenciales bajo el cual el sólido permanece como fase termodinámicamente estable). Por ejemplo, se observa que la solubilidad del oro en agua a alta temperatura es casi un orden de magnitud mayor (es decir, aproximadamente diez veces mayor) cuando el potencial redox se controla usando un tampón redox Fe 3 O 4 -Fe 2 O 3 altamente oxidante que con un tampón Ni-NiO moderadamente oxidante. [10]
La solubilidad (metaestable, en concentraciones cercanas a la saturación) también depende del tamaño físico del cristal o gota de soluto (o, estrictamente hablando, de la superficie específica o superficie molar del soluto). [11] Para la cuantificación, consulte la ecuación en el artículo sobre equilibrio de solubilidad . Para cristales muy defectuosos, la solubilidad puede aumentar a medida que aumenta el grado de desorden. Ambos efectos ocurren debido a la dependencia de la constante de solubilidad de la energía de Gibbs del cristal. Los dos últimos efectos, aunque a menudo difíciles de medir, son de importancia práctica. [ cita necesaria ] Por ejemplo, proporcionan la fuerza impulsora para el envejecimiento precipitado (el tamaño del cristal aumenta espontáneamente con el tiempo).
La solubilidad de un soluto determinado en un disolvente determinado es función de la temperatura. Dependiendo del cambio en la entalpía (Δ H ) de la reacción de disolución, es decir , del carácter endotérmico (Δ H > 0) o exotérmico (Δ H < 0) de la reacción de disolución, la solubilidad de un compuesto determinado puede aumentar o disminuir. con la temperatura. La ecuación de van 't Hoff relaciona el cambio de la constante de equilibrio de solubilidad ( K sp ) con el cambio de temperatura y con el cambio de entalpía de la reacción . Para la mayoría de los sólidos y líquidos, su solubilidad aumenta con la temperatura porque su reacción de disolución es endotérmica (Δ H > 0). [12] En agua líquida a altas temperaturas (por ejemplo, aquellas que se acercan a la temperatura crítica ), la solubilidad de los solutos iónicos tiende a disminuir debido al cambio de propiedades y estructura del agua líquida; la constante dieléctrica más baja da como resultado un disolvente menos polar y un cambio de energía de hidratación que afecta el Δ G de la reacción de disolución.
Los solutos gaseosos exhiben un comportamiento más complejo con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, los gases suelen volverse menos solubles en agua (reacción de disolución exotérmica relacionada con su hidratación) (hasta un mínimo, que es inferior a 120 °C para la mayoría de los gases permanentes [13] ), pero más solubles en disolventes orgánicos (reacción endotérmica). reacción de disolución relacionada con su solvatación). [12]
El gráfico muestra las curvas de solubilidad de algunas sales inorgánicas sólidas típicas en agua líquida (la temperatura está en grados Celsius , es decir, kelvin menos 273,15). [14] Muchas sales se comportan como nitrato de bario y arseniato de hidrógeno disódico , y muestran un gran aumento en la solubilidad con la temperatura (Δ H > 0). Algunos solutos (por ejemplo, cloruro de sodio en agua) exhiben una solubilidad que es bastante independiente de la temperatura (Δ H ≈ 0). Algunos, como el sulfato de calcio ( yeso ) y el sulfato de cerio (III) , se vuelven menos solubles en agua a medida que aumenta la temperatura (Δ H < 0). [15] Este es también el caso del hidróxido de calcio ( portlandita ), cuya solubilidad a 70 °C es aproximadamente la mitad de su valor a 25 °C. La disolución del hidróxido de calcio en agua también es un proceso exotérmico (Δ H < 0) y obedece a la ecuación de van 't Hoff y al principio de Le Chatelier . Una disminución de la temperatura favorece la eliminación del calor de disolución del sistema y, por tanto, favorece la disolución del Ca(OH) 2 : por lo que la solubilidad de la portlandita aumenta a baja temperatura. Esta dependencia de la temperatura a veces se denomina solubilidad "retrógrada" o "inversa". Ocasionalmente, se observa un patrón más complejo, como ocurre con el sulfato de sodio , donde el cristal de decahidrato menos soluble ( mirabilita ) pierde agua de cristalización a 32 °C para formar una fase anhidra más soluble ( tenardita ) con un cambio menor en la energía libre de Gibbs. (Δ G ) en la reacción de disolución. [ cita necesaria ]
La solubilidad de los compuestos orgánicos casi siempre aumenta con la temperatura. La técnica de recristalización , utilizada para la purificación de sólidos, depende de las diferentes solubilidades de un soluto en un disolvente frío y caliente. Existen algunas excepciones, como ciertas ciclodextrinas . [dieciséis]
Para las fases condensadas (sólidos y líquidos), la dependencia de la solubilidad con la presión suele ser débil y normalmente se ignora en la práctica. Suponiendo una solución ideal , la dependencia se puede cuantificar como:
donde el índice itera los componentes, es la fracción molar del -ésimo componente en la solución, es la presión, el índice se refiere a temperatura constante, es el volumen molar parcial del -ésimo componente en la solución, es el volumen molar parcial del -ésimo componente en el sólido en disolución, y es la constante universal de los gases . [17]
La dependencia de la solubilidad con la presión tiene ocasionalmente importancia práctica. Por ejemplo, la contaminación por precipitaciones de campos petroleros y pozos por sulfato de calcio (que disminuye su solubilidad al disminuir la presión) puede resultar en una disminución de la productividad con el tiempo.
La ley de Henry se utiliza para cuantificar la solubilidad de los gases en disolventes. La solubilidad de un gas en un disolvente es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas sobre el disolvente. Esta relación es similar a la ley de Raoult y se puede escribir como:
donde es una constante que depende de la temperatura (por ejemplo, 769,2 L · atm / mol para dioxígeno (O 2 ) en agua a 298 K), es la presión parcial (en atm) y es la concentración del gas disuelto en el líquido. (en moles/L).
La solubilidad de los gases a veces también se cuantifica utilizando el coeficiente de solubilidad de Bunsen .
En presencia de pequeñas burbujas , la solubilidad del gas no depende del radio de la burbuja de ninguna otra manera que a través del efecto del radio sobre la presión (es decir, la solubilidad del gas en el líquido en contacto con pequeñas burbujas aumenta debido a aumento de presión en Δ p = 2γ/ r ; consulte la ecuación de Young-Laplace ). [18]
La ley de Henry es válida para gases que no sufren cambios de especiación química al disolverse. La ley de Sieverts muestra un caso en el que este supuesto no se cumple.
La solubilidad del dióxido de carbono en el agua de mar también se ve afectada por la temperatura, el pH de la solución y el tampón de carbonato . La disminución de la solubilidad del dióxido de carbono en el agua de mar cuando aumenta la temperatura es también un importante factor de retroacción (retroalimentación positiva) que exacerba los cambios climáticos pasados y futuros , como se observa en los núcleos de hielo del sitio de Vostok en la Antártida . En la escala de tiempo geológico , debido a los ciclos de Milankovich , cuando los parámetros astronómicos de la órbita terrestre y su eje de rotación cambian progresivamente y modifican la irradiancia solar en la superficie terrestre, la temperatura comienza a aumentar. Cuando se inicia un período de desglaciación, el calentamiento progresivo de los océanos libera CO 2 a la atmósfera debido a su menor solubilidad en agua de mar más cálida. A su vez, niveles más altos de CO 2 en la atmósfera aumentan el efecto invernadero y el dióxido de carbono actúa como amplificador del calentamiento general.
Un aforismo popular utilizado para predecir la solubilidad es " lo similar se disuelve como ", también expresado en latín como " Similia similibus solventur ". [19] Esta afirmación indica que un soluto se disolverá mejor en un disolvente que tenga una estructura química similar a él, basándose en una entropía de mezcla favorable . Esta visión es simplista, pero es una regla práctica útil. La capacidad global de solvatación de un disolvente depende principalmente de su polaridad . [a] Por ejemplo, un soluto muy polar ( hidrófilo ) como la urea es muy soluble en agua altamente polar, menos soluble en metanol bastante polar y prácticamente insoluble en disolventes no polares como el benceno . Por el contrario, un soluto no polar o lipófilo como la naftaleno es insoluble en agua, bastante soluble en metanol y muy soluble en benceno no polar. [20]
En términos aún más simples, un compuesto iónico simple (con iones positivos y negativos) como el cloruro de sodio (sal común) es fácilmente soluble en un disolvente altamente polar (con cierta separación de cargas positivas (δ+) y negativas (δ-) en la molécula covalente) como el agua , por lo que el mar es salado ya que acumula sales disueltas desde edades geológicas tempranas.
La solubilidad se ve favorecida por la entropía de mezcla (Δ S ) y depende de la entalpía de disolución (Δ H ) y el efecto hidrofóbico . La energía libre de disolución ( energía de Gibbs ) depende de la temperatura y viene dada por la relación: Δ G = Δ H – TΔ S. Un Δ G más pequeño significa una mayor solubilidad.
Los químicos suelen aprovechar las diferencias en solubilidades para separar y purificar compuestos de mezclas de reacción, utilizando la técnica de extracción líquido-líquido . Esto se aplica a vastas áreas de la química, desde la síntesis de fármacos hasta el reprocesamiento del combustible nuclear gastado .
La disolución no es un proceso instantáneo. La tasa de solubilización (en kg/s) está relacionada con el producto de solubilidad y el área superficial del material. La velocidad a la que se disuelve un sólido puede depender de su cristalinidad o falta de ella en el caso de sólidos amorfos y del área superficial (tamaño de la cristalita) y la presencia de polimorfismo . Muchos sistemas prácticos ilustran este efecto, por ejemplo en el diseño de métodos para la administración controlada de medicamentos . En algunos casos, los equilibrios de solubilidad pueden tardar mucho en establecerse (horas, días, meses o muchos años; dependiendo de la naturaleza del soluto y otros factores).
La velocidad de disolución a menudo se puede expresar mediante la ecuación de Noyes-Whitney o la ecuación de Nernst y Brunner [21] de la forma:
dónde:
Para la disolución limitada por difusión (o transferencia de masa si hay mezcla), es igual a la solubilidad de la sustancia. Cuando la velocidad de disolución de una sustancia pura se normaliza con respecto al área de superficie del sólido (que generalmente cambia con el tiempo durante el proceso de disolución), se expresa en kg/m 2 s y se denomina "velocidad de disolución intrínseca". La tasa de disolución intrínseca está definida por la Farmacopea de los Estados Unidos .
Las tasas de disolución varían en órdenes de magnitud entre diferentes sistemas. Normalmente, velocidades de disolución muy bajas son paralelas a solubilidades bajas, y las sustancias con solubilidades altas exhiben velocidades de disolución altas, como lo sugiere la ecuación de Noyes-Whitney.
Las constantes de solubilidad se utilizan para describir soluciones saturadas de compuestos iónicos de solubilidad relativamente baja (ver equilibrio de solubilidad ). La constante de solubilidad es un caso especial de constante de equilibrio . Dado que es un producto de concentraciones de iones en equilibrio, también se le conoce como producto de solubilidad . Describe el equilibrio entre los iones disueltos de la sal y la sal no disuelta. La constante de solubilidad también es "aplicable" (es decir, útil) a la precipitación , lo contrario de la reacción de disolución. Como ocurre con otras constantes de equilibrio, la temperatura puede afectar el valor numérico de la constante de solubilidad. Si bien la constante de solubilidad no es tan simple como la solubilidad, el valor de esta constante generalmente es independiente de la presencia de otras especies en el solvente.
La teoría de la solución de Flory-Huggins es un modelo teórico que describe la solubilidad de los polímeros. Los parámetros de solubilidad de Hansen y los parámetros de solubilidad de Hildebrand son métodos empíricos para la predicción de la solubilidad. También es posible predecir la solubilidad a partir de otras constantes físicas como la entalpía de fusión .
El coeficiente de partición octanol-agua , generalmente expresado como su logaritmo (Log P), es una medida de solubilidad diferencial de un compuesto en un disolvente hidrofóbico ( 1-octanol ) y un disolvente hidrofílico (agua). El logaritmo de estos dos valores permite clasificar los compuestos en términos de hidrofilicidad (o hidrofobicidad).
El cambio de energía asociado con la disolución generalmente se da por mol de soluto como entalpía de la solución .
La solubilidad es de fundamental importancia en un gran número de disciplinas científicas y aplicaciones prácticas, que van desde el procesamiento de minerales y el reprocesamiento nuclear hasta el uso de medicamentos y el transporte de contaminantes.
A menudo se dice que la solubilidad es una de las "propiedades características de una sustancia", lo que significa que la solubilidad se usa comúnmente para describir la sustancia, indicar la polaridad de una sustancia, ayudar a distinguirla de otras sustancias y como guía para las aplicaciones. de la sustancia. Por ejemplo, el índigo se describe como "insoluble en agua, alcohol o éter pero soluble en cloroformo, nitrobenceno o ácido sulfúrico concentrado ". [22]
La solubilidad de una sustancia es útil al separar mezclas. Por ejemplo, se puede separar una mezcla de sal ( cloruro de sodio ) y sílice disolviendo la sal en agua y filtrando la sílice no disuelta. La síntesis de compuestos químicos, por miligramo en un laboratorio o por tonelada en la industria, utiliza las solubilidades relativas del producto deseado, así como materiales de partida, subproductos y productos secundarios sin reaccionar para lograr la separación.
Otro ejemplo de ello es la síntesis de ácido benzoico a partir de bromuro de fenilmagnesio y hielo seco . El ácido benzoico es más soluble en un disolvente orgánico como diclorometano o éter dietílico y, cuando se agita con este disolvente orgánico en un embudo de decantación , se disolverá preferentemente en la capa orgánica. Los otros productos de la reacción, incluido el bromuro de magnesio, permanecerán en la capa acuosa, lo que muestra claramente que se logra la separación basada en la solubilidad. Este proceso, conocido como extracción líquido-líquido , es una técnica importante en la química sintética . El reciclaje se utiliza para garantizar la máxima extracción.
En los sistemas de flujo, las diferencias en la solubilidad a menudo determinan el transporte de especies impulsado por la disolución-precipitación. Esto sucede cuando diferentes partes del sistema experimentan condiciones diferentes. Incluso condiciones ligeramente diferentes pueden producir efectos significativos, si se les da el tiempo suficiente.
Por ejemplo, se ha descubierto que los compuestos de solubilidad relativamente baja son solubles en entornos más extremos, lo que da lugar a efectos geoquímicos y geológicos de la actividad de los fluidos hidrotermales en la corteza terrestre. Estos suelen ser la fuente de depósitos minerales económicos de alta calidad y gemas preciosas o semipreciosas. Del mismo modo, compuestos de baja solubilidad se disolverán con el tiempo (tiempo geológico), dando lugar a efectos significativos como extensos sistemas de cuevas o superficies de terreno kárstico.
Algunos compuestos iónicos ( sales ) se disuelven en agua, lo que surge debido a la atracción entre cargas positivas y negativas (ver: solvatación ). Por ejemplo, los iones positivos de la sal (por ejemplo, Ag + ) atraen el átomo de oxígeno parcialmente negativo en el H 2 O . Asimismo, los iones negativos de la sal (por ejemplo, Cl − ) atraen los hidrógenos parcialmente positivos en el H 2 O . Nota: el átomo de oxígeno es parcialmente negativo porque es más electronegativo que el hidrógeno, y viceversa (ver: polaridad química ).
Sin embargo, existe un límite en la cantidad de sal que se puede disolver en un volumen determinado de agua. Esta concentración es la solubilidad y está relacionada con el producto de solubilidad , K sp . Esta constante de equilibrio depende del tipo de sal ( AgCl frente a NaCl , por ejemplo), la temperatura y el efecto del ión común.
Se puede calcular la cantidad de AgCl que se disolverá en 1 litro de agua pura de la siguiente manera:
[Ag + ] = [Cl − ], en ausencia de otras sales de plata o cloruro, entonces
El resultado: 1 litro de agua puede disolver 1,34 × 10 −5 moles de AgCl a temperatura ambiente. En comparación con otras sales, el AgCl es poco soluble en agua. Por ejemplo, la sal de mesa ( NaCl ) tiene un K sp = 36 mucho más alto y, por lo tanto, es más soluble. La siguiente tabla ofrece una descripción general de las reglas de solubilidad de varios compuestos iónicos.
El principio descrito anteriormente bajo polaridad, que lo similar se disuelve en lo similar , es la guía habitual para la solubilidad en sistemas orgánicos. Por ejemplo, la vaselina se disolverá en gasolina porque tanto la vaselina como la gasolina son hidrocarburos no polares. Por el contrario, no se disolverá en alcohol etílico ni en agua, ya que la polaridad de estos disolventes es demasiado alta. El azúcar no se disuelve en la gasolina porque es demasiado polar en comparación con la gasolina. Por tanto, una mezcla de gasolina y azúcar se puede separar mediante filtración o extracción con agua.
Este término se utiliza a menudo en el campo de la metalurgia para referirse al grado en que un elemento de aleación se disolverá en el metal base sin formar una fase separada. La línea (o curva) de solvus o solubilidad es la línea (o líneas) en un diagrama de fases que dan los límites de adición de soluto. Es decir, las líneas muestran la cantidad máxima de un componente que se puede agregar a otro componente y aún estar en solución sólida . En la estructura cristalina del sólido, el elemento "soluto" puede ocupar el lugar de la matriz dentro de la red (una posición de sustitución; por ejemplo, cromo en hierro) o ocupar un lugar en un espacio entre los puntos de la red (una posición intersticial; por ejemplo, carbono en hierro).
En la fabricación microelectrónica, la solubilidad sólida se refiere a la concentración máxima de impurezas que se pueden colocar en el sustrato.
En los compuestos sólidos (a diferencia de los elementos), la solubilidad de un elemento soluto también puede depender de las fases que se separan en equilibrio. Por ejemplo, la cantidad de Sn soluble en la fase ZnSb puede depender significativamente de si las fases que se separan en equilibrio son (Zn 4 Sb 3 +Sn(L)) o (ZnSnSb 2 +Sn(L)) [24] . Además de estos, el compuesto de ZnSb con Sn como soluto puede separarse en otras combinaciones de fases después de alcanzar el límite de solubilidad, dependiendo de la composición química inicial durante la síntesis. Cada combinación produce una solubilidad diferente de Sn en ZnSb. Por lo tanto, los estudios de solubilidad en compuestos, concluidos en el primer caso de observación de fases secundarias que se separan, podrían subestimar la solubilidad. [25] Si bien el número máximo de fases que se separan a la vez en equilibrio puede determinarse mediante la regla de las fases de Gibb , para los compuestos químicos no hay límite en el número de tales combinaciones de separación de fases. Por lo tanto, establecer experimentalmente la "máxima solubilidad" en compuestos sólidos puede resultar difícil, ya que requiere el equilibrio de muchas muestras. Si el defecto cristalográfico dominante (principalmente defectos intersticiales o puntuales de sustitución) involucrados en la solución sólida se puede intuir químicamente de antemano, entonces el uso de algunas pautas termodinámicas simples puede reducir considerablemente la cantidad de muestras necesarias para establecer la máxima solubilidad. [26]
Muchas sustancias se disuelven de manera congruente (es decir, la composición del sólido y del soluto disuelto coinciden estequiométricamente). Sin embargo, algunas sustancias pueden disolverse de manera incongruente , por lo que la composición del soluto en solución no coincide con la del sólido. Esta solubilización va acompañada de una alteración del "sólido primario" y posiblemente de la formación de una fase sólida secundaria. Sin embargo, en general, también queda algo de sólido primario y se establece un complejo equilibrio de solubilidad. Por ejemplo, la disolución de la albita puede dar lugar a la formación de gibbsita . [27]
En este caso, se espera que la solubilidad de la albita dependa de la relación sólido-disolvente. Este tipo de solubilidad es de gran importancia en geología, donde da como resultado la formación de rocas metamórficas .
En principio, tanto la disolución congruente como la incongruente pueden conducir a la formación de fases sólidas secundarias en equilibrio. Entonces, en el campo de la ciencia de los materiales , la solubilidad para ambos casos se describe de manera más general en diagramas de fases de composición química .
La solubilidad es una propiedad de interés en muchos aspectos de la ciencia, incluidos, entre otros: predicciones ambientales, bioquímica, farmacia, diseño de fármacos, diseño agroquímico y unión de ligandos de proteínas. La solubilidad acuosa es de fundamental interés debido a las funciones biológicas y de transporte vitales que desempeña el agua. [28] [29] [30] Además de este claro interés científico en la solubilidad en agua y los efectos de los disolventes; Las predicciones precisas de la solubilidad son importantes a nivel industrial. La capacidad de predecir con precisión la solubilidad de una molécula representa ahorros financieros potencialmente grandes en muchos procesos de desarrollo de productos químicos, como los farmacéuticos. [31] En la industria farmacéutica, las predicciones de solubilidad forman parte del proceso de optimización inicial de los fármacos candidatos en las primeras etapas. La solubilidad sigue siendo una preocupación hasta la formulación. [31] Se han aplicado varios métodos a tales predicciones, incluidas las relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR), las relaciones cuantitativas estructura-propiedad (QSPR) y la minería de datos . Estos modelos proporcionan predicciones eficientes de solubilidad y representan el estándar actual. La desventaja de estos modelos es que pueden carecer de visión física. Un método basado en la teoría física, capaz de alcanzar niveles similares de precisión a un costo razonable, sería una herramienta poderosa desde el punto de vista científico e industrial. [32] [33] [34] [35]
Los métodos fundamentados en la teoría física tienden a utilizar ciclos termodinámicos, un concepto de la termodinámica clásica . Los dos ciclos termodinámicos comunes utilizados implican el cálculo de la energía libre de sublimación (de sólido a gas sin pasar por un estado líquido) y la energía libre de solvatación de una molécula gaseosa (de gas a solución), o la energía libre de fusión (de sólido a gas). a una fase fundida) y la energía libre de mezcla (fundida a solución). Estos dos procesos están representados en los siguientes diagramas.
Estos ciclos se han utilizado para intentos de predicciones de primeros principios (resolución utilizando las ecuaciones físicas fundamentales) utilizando modelos de solventes motivados físicamente , [33] para crear ecuaciones paramétricas y modelos QSPR [36] [34] y combinaciones de los dos. [34] El uso de estos ciclos permite el cálculo de la energía libre de solvatación indirectamente a través de un gas (en el ciclo de sublimación) o una masa fundida (ciclo de fusión). Esto es útil ya que calcular directamente la energía libre de solvatación es extremadamente difícil. La energía libre de solvatación se puede convertir a un valor de solubilidad mediante varias fórmulas, siendo el caso más general el que se muestra a continuación, donde el numerador es la energía libre de solvatación, R es la constante de los gases y T es la temperatura en kelvins . [33]
Las ecuaciones ajustadas más conocidas para la predicción de la solubilidad son las ecuaciones generales de solubilidad. Estas ecuaciones surgen del trabajo de Yalkowsky et al . [37] [38] Primero se proporciona la fórmula original, seguida de una fórmula revisada que asume una suposición diferente de miscibilidad completa en octanol. [38]
Estas ecuaciones se basan en los principios del ciclo de fusión.
