En química física , la sobresaturación ocurre con una solución cuando la concentración de un soluto excede la concentración especificada por el valor de solubilidad en equilibrio . Lo más común es que el término se aplique 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 separando el exceso de soluto de la solución, diluyendo la solución añadiendo disolvente o aumentando la solubilidad del soluto en el disolvente.
Los primeros estudios del fenómeno se realizaron con sulfato de sodio , también conocido como sal de Glauber porque, inusualmente, la solubilidad de esta sal en agua puede disminuir al aumentar 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 entrada de materia sólida y que 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 la cantidad de sales con las que se puede obtener una solución sobresaturada. Posteriormente 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 provoca la cristalización. Explicar y proporcionar un modelo para este fenómeno ha sido una tarea asumida por investigaciones más recientes. 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 cambia la temperatura de la solución saturada . En la mayoría de los casos, la solubilidad disminuye al disminuir la temperatura; en tales casos, el exceso de soluto se separará rápidamente de la solución en forma de cristales o polvo amorfo . [2] [3] [4] En algunos casos se produce el efecto contrario. 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 haya disuelto. Si queda alguna impureza sólida se elimina mediante filtración . Cuando posteriormente se reduce la temperatura de la solución, 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 de enfriarse. Esto se debe a que existe una barrera termodinámica para la formación de un cristal en un medio líquido. Por lo general, esto se soluciona agregando 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 microscópicas de vidrio que pueden actuar como centros de nucleación. En la industria, la centrifugación se utiliza 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 tales compuestos; La barrera termodinámica para la formación de cristales es bastante alta debido a los enlaces de hidrógeno extensos e irregulares con el disolvente, 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 cristalizar en un período de semanas.
Se puede encontrar sobresaturación al intentar cristalizar una proteína. [7]
La solubilidad de un gas en un líquido aumenta al aumentar 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 champán el CO 2 se produce de forma natural en la etapa final de la fermentación . Cuando se abre la botella o lata se libera algo de gas en forma de burbujas.
La liberación de gas de los tejidos sobresaturados puede provocar que un buceador sufra una enfermedad por descompresión (también conocida como curvatura) al regresar a la superficie. Esto puede ser fatal si el gas liberado obstruye el suministro de sangre crítico y causa isquemia en tejidos vitales. [8]
Los gases disueltos pueden liberarse durante la exploración petrolera cuando se realiza un impacto. Esto ocurre porque el petróleo en la roca que contiene petróleo está 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 se relaciona 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 del vapor metaestable del agua en su publicación revisada de la Formulación Industrial IAPWS de 1997 para las Propiedades Termodinámicas del Agua y el Vapor . Todas las propiedades termodinámicas de la región de vapor metaestable del agua se pueden derivar de esta ecuación mediante 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. Cuando esto sea así 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 farmacéuticos . Al crear una solución sobresaturada de un determinado fármaco, éste puede ingerirse en forma líquida. El fármaco puede llevarse a un estado sobresaturado mediante cualquier mecanismo normal y luego evitarse que precipite añadiendo inhibidores de la precipitación. [12] Los medicamentos en este estado se conocen como "servicios de entrega de medicamentos sobresaturantes" o "SDDS". [13] El consumo oral de un fármaco en esta forma es simple y permite medir dosis muy precisas. Principalmente, proporciona un medio para convertir fármacos con muy baja solubilidad en soluciones acuosas . [14] [15] Además, algunos medicamentos 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 utilizarse como herramienta para que los ecólogos marinos estudien la actividad de organismos y poblaciones. Los organismos fotosintéticos liberan gas O 2 en el agua. Por lo tanto, es probable que se pueda determinar que un área del océano sobresaturada con gas O 2 es rica en actividad fotosintética. Aunque algo de O 2 se encontrará naturalmente en el océano debido a propiedades físico-químicas simples, más del 70% de todo el oxígeno gaseoso que se encuentra en regiones sobresaturadas puede atribuirse a la actividad fotosintética. [17]
La sobresaturación en fase vapor suele estar presente en el proceso de expansión a través de boquillas de vapor que operan con vapor sobrecalentado en la entrada, que pasa al estado saturado en la salida. Por lo tanto, la sobresaturación se convierte en un factor importante a tener en cuenta en el diseño de turbinas de vapor , ya que esto da como resultado un flujo másico real de vapor a través de la boquilla que es aproximadamente de 1 a 3% mayor que el valor calculado teóricamente que se esperaría si la expansión El vapor experimentó 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 del índice 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 tener. 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 estado de saturación, las partículas de agua no formarán hielo en condiciones troposféricas. No basta con 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, las humedades relativas sobre el hielo en la atmósfera pueden encontrarse por encima del 100%, lo que significa que se ha producido una sobresaturación. En realidad, la sobresaturación de agua es muy común en la troposfera superior y ocurre entre el 20% y el 40% del tiempo. [19] Esto se puede determinar utilizando datos satelitales de la sonda infrarroja atmosférica . [20]