En química física , la sobresaturación ocurre cuando la concentración de un soluto excede la concentración especificada por el valor de solubilidad en el equilibrio . El término se aplica más comúnmente a una solución de un sólido en un líquido , pero también se puede aplicar a líquidos y gases disueltos en un líquido. Una solución sobresaturada está en un estado metaestable ; puede volver al equilibrio mediante la separación del exceso de soluto de la solución, mediante la dilución de la solución mediante la adición de disolvente o mediante el aumento de la solubilidad del soluto en el disolvente.
Los primeros estudios del fenómeno se llevaron a cabo con sulfato de sodio , también conocido como sal de Glauber porque, inusualmente, la solubilidad de esta sal en agua puede disminuir con el aumento de la temperatura. Tomlinson ha resumido los primeros estudios. [1] Se demostró que la cristalización de una solución sobresaturada no proviene simplemente de su agitación (la creencia anterior), sino de la materia sólida que entra y actúa como un sitio de "inicio" para la formación de cristales, ahora llamados "semillas". Ampliando esto, Gay-Lussac llamó la atención sobre la cinemática de los iones de sal y las características del recipiente que tienen un impacto en el estado de sobresaturación. También pudo ampliar el número de sales con las que se puede obtener una solución sobresaturada. Más tarde, Henri Löwel llegó a la conclusión de que tanto los núcleos de la solución como las paredes del recipiente tienen un efecto catalizador sobre la solución que causa la cristalización. Explicar y proporcionar un modelo para este fenómeno ha sido una tarea asumida por la investigación más reciente. Désiré Gernez contribuyó a esta investigación al descubrir que los núcleos deben ser de la misma sal que se está cristalizando para promover la cristalización.
Una solución de un compuesto químico en un líquido se sobresaturará cuando se modifique la temperatura de la solución saturada . En la mayoría de los casos, la solubilidad disminuye con la disminución de la temperatura; en tales casos, el exceso de soluto se separará rápidamente de la solución en forma de cristales o de un polvo amorfo . [2] [3] [4] En algunos casos se produce el efecto opuesto. El ejemplo del sulfato de sodio en agua es bien conocido y por eso se utilizó en los primeros estudios de solubilidad.
La recristalización [5] [6] es un proceso utilizado para purificar compuestos químicos. Se calienta una mezcla del compuesto impuro y el disolvente hasta que el compuesto se disuelve. Si queda alguna impureza sólida, se elimina por filtración . Cuando la temperatura de la solución se reduce posteriormente, se sobresatura brevemente y luego el compuesto cristaliza hasta que se alcanza el equilibrio químico a la temperatura más baja. Las impurezas permanecen en el líquido sobrenadante . En algunos casos, los cristales no se forman rápidamente y la solución permanece sobresaturada después del enfriamiento. Esto se debe a que existe una barrera termodinámica para la formación de un cristal en un medio líquido. Comúnmente, esto se supera añadiendo un pequeño cristal del compuesto soluto a la solución sobresaturada, un proceso conocido como "siembra". Otro proceso de uso común es frotar una varilla en el costado de un recipiente de vidrio que contiene la solución para liberar partículas de vidrio microscópicas que pueden actuar como centros de nucleación. En la industria, se utiliza la centrifugación para separar los cristales del líquido sobrenadante.
Algunos compuestos y mezclas de compuestos pueden formar soluciones sobresaturadas de larga duración. Los carbohidratos son una clase de dichos compuestos; la barrera termodinámica para la formación de cristales es bastante alta debido a la extensa e irregular unión de hidrógeno con el solvente, el agua. Por ejemplo, aunque la sacarosa se puede recristalizar fácilmente, su producto de hidrólisis, conocido como " azúcar invertido " o "jarabe dorado", es una mezcla de glucosa y fructosa que existe como un líquido viscoso y sobresaturado. La miel clara contiene carbohidratos que pueden cristalizarse en un período de semanas.
Se puede producir sobresaturación al intentar cristalizar una proteína. [7]
La solubilidad de un gas en un líquido aumenta con el aumento de la presión del gas. Cuando se reduce la presión externa, el exceso de gas sale de la solución.
Las bebidas gaseosas se elaboran sometiendo el líquido a dióxido de carbono , bajo presión. En el caso del champán, el CO2 se produce de forma natural en la fase final de la fermentación . Al abrir la botella o la lata se libera algo de gas en forma de burbujas.
La liberación de gas de los tejidos sobresaturados puede provocar que un buceador sufra la enfermedad de descompresión (también conocida como síndrome de descompresión) al regresar a la superficie. Esto puede ser fatal si el gas liberado obstruye los suministros sanguíneos críticos y causa isquemia en los tejidos vitales. [8]
Durante la exploración petrolera, pueden liberarse gases disueltos cuando se produce un hallazgo. Esto ocurre porque el petróleo en la roca que contiene petróleo se encuentra bajo una presión considerable de la roca suprayacente, lo que permite que el petróleo esté sobresaturado con respecto a los gases disueltos.
Un chaparrón es una forma extrema de producción de agua líquida a partir de una mezcla sobresaturada de aire y vapor de agua en la atmósfera . La sobresaturación en la fase de vapor está relacionada con la tensión superficial de los líquidos a través de la ecuación de Kelvin , el efecto Gibbs-Thomson y el efecto Poynting . [9]
La Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor ( IAPWS ) proporciona una ecuación especial para la energía libre de Gibbs en la región de vapor metaestable del agua en su Versión Revisada de la Formulación Industrial de la IAPWS de 1997 para las Propiedades Termodinámicas del Agua y el Vapor . Todas las propiedades termodinámicas para la región de vapor metaestable del agua se pueden derivar de esta ecuación por medio de las relaciones apropiadas de las propiedades termodinámicas con la energía libre de Gibbs. [10]
Al medir la concentración de un soluto en una mezcla gaseosa o líquida sobresaturada, es obvio que la presión dentro de la cubeta puede ser mayor que la presión ambiental. En este caso, se debe utilizar una cubeta especializada. La elección de la técnica analítica a utilizar dependerá de las características del analito. [11]
Las características de la sobresaturación tienen aplicaciones prácticas en términos de productos farmacéuticos . Al crear una solución sobresaturada de un determinado fármaco, se puede ingerir en forma líquida. El fármaco se puede llevar a un estado sobresaturado a través de cualquier mecanismo normal y luego se puede evitar que precipite añadiendo inhibidores de precipitación. [12] Los fármacos en este estado se conocen como "servicios de administración de fármacos sobresaturados" o "SDDS". [13] El consumo oral de un fármaco en esta forma es sencillo y permite la medición de dosis muy precisas. Principalmente, proporciona un medio para que los fármacos con muy baja solubilidad se conviertan en soluciones acuosas . [14] [15] Además, algunos fármacos pueden sufrir sobresaturación dentro del cuerpo a pesar de ser ingeridos en forma cristalina. [16] Este fenómeno se conoce como sobresaturación in vivo .
La identificación de soluciones sobresaturadas puede ser utilizada como una herramienta para que los ecólogos marinos estudien la actividad de los organismos y las poblaciones. Los organismos fotosintéticos liberan gas O2 en el agua. Por lo tanto, es probable que una zona del océano sobresaturada con gas O2 sea rica en actividad fotosintética. Aunque algo de O2 se encontrará de forma natural en el océano debido a propiedades fisicoquímicas simples, más del 70% de todo el gas oxígeno que se encuentra en regiones sobresaturadas se puede atribuir a la actividad fotosintética. [17]
La sobresaturación en fase vapor suele estar presente en el proceso de expansión a través de toberas de vapor que funcionan con vapor sobrecalentado en la entrada, que pasa a estado saturado en la salida. La sobresaturación se convierte así en un factor importante a tener en cuenta en el diseño de turbinas de vapor , ya que da lugar a un caudal másico real de vapor a través de la tobera de aproximadamente un 1 a un 3% mayor que el valor calculado teóricamente que se esperaría si el vapor en expansión sufriera un proceso adiabático reversible a través de estados de equilibrio. En estos casos la sobresaturación se produce debido a que el proceso de expansión se desarrolla tan rápidamente y en tan poco tiempo, que el vapor en expansión no puede alcanzar su estado de equilibrio en el proceso, comportándose como si estuviera sobrecalentado . Por lo tanto, la determinación de la relación de expansión, relevante para el cálculo del flujo másico a través de la boquilla, debe realizarse utilizando un índice adiabático de aproximadamente 1,3, como el del vapor sobrecalentado, en lugar de 1,135, que es el valor que debería utilizarse para una expansión adiabática cuasiestática en la región saturada. [18]
El estudio de la sobresaturación también es relevante para los estudios atmosféricos. Desde la década de 1940, se conoce la presencia de sobresaturación en la atmósfera . Cuando el agua está sobresaturada en la troposfera , se observa con frecuencia la formación de redes de hielo. En un estado de saturación, las partículas de agua no formarán hielo en condiciones troposféricas. No es suficiente que las moléculas de agua formen una red de hielo a presiones de saturación; requieren una superficie sobre la que condensarse o conglomerados de moléculas de agua líquida para congelarse. Por estas razones, se pueden encontrar humedades relativas sobre el hielo en la atmósfera superiores al 100%, lo que significa que se ha producido sobresaturación. La sobresaturación del agua es en realidad muy común en la troposfera superior, y se produce entre el 20% y el 40% del tiempo. [19] Esto se puede determinar utilizando datos satelitales de la Atmospheric Infrared Sounder . [20]