EXPERIMENTO 5 SOLUBILIDAD
Materiales y equipo especial:
Alcohol etílico, glicerina, éter, gasolina, detergente, benceno, cloruro de potasio, cloruro de amonio, hidróxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio, sulfato de c al ci o , acetato de sodio 3 hidrato.
Objetivo:
Estudiar la solubilidad de varias sustancias en diferentes disolventes. Notar los cambios energéticos que ocurren en el proceso de la disolución. Estudiar los fenómenos de saturación y sobresaturación. Ilustrar el significado de las curvas de solubilidad. Mostrar el efecto de los detergentes.
DISCUSIÓN
La solubilidad de las sustancias depende de las estructura química del soluto y la relación de esta estructura con la del disolvente. Una sustancia tiende a disolverse en aquellos disolventes que sean químicamente análogos.
El naftaleno, C10H8, por ejemplo, un hidrocarburo, es muy soluble en gasolina, que es una mezcla de hidrocarburos; pero el naftaleno es menos soluble en alcohol etílico, C2H5OH, cuyas moléculas constan de cortas cadenas hidrocarbonadas que llevan unidos a sus extremos el grupo hidroxilo. El naftaleno es muy poco soluble en el agua, cuya estructura difiere mucho de un hidrocarburo.
Por otra parte, el ácido bórico, un hidrocompuesto, es moderadamente soluble en agua y en alcohol y es insoluble en gasolina. De hecho, los tres disolventes muestran entre ellos la misma relación entre solubilidad y constitución química. La gasolina (y el agua también) es miscible con (soluble en) alcohol anhidro pero la gasolina y el agua sólo se disuelven mutuamente en cantidades íntimas.
Sustancias polares y no polares
En estas seis sustancias, los centros atómicos positivamente cargados y los electrones apareados se hallan dispuestos simétricamente alrededor del centro de la molécula. Como consecuencia cada molécula resulta no sólo eléctricamente neutra, sino también eléctricamente simétrica.
Las sustancias cuyas moléculas son eléctricamente simétricas se denominan no polares. En general estas sustancias son menos activas que aquellas cuyas moléculas contienen cargas eléctricas distribuidas de un modo menos regular.
En contraste con las sustancias no polares a que acabamos de referirnos, hay otras sustancias cuyas moléculas son eléctricamente asimétricas.
Como es sabido las moléculas del agua tienen enlaces covalentes entre el hidrógeno y el oxígeno. No obstante, el agua es una molécula dipolar. Sus cargas eléctricas no se hallan distribuidas simétricamente en la molécula. El oxígeno por ser más electronegativo atrae más los electrones produciendo en su alrededor una nube negativa y quedando los protones al otro extremo. Como consecuencia, no obstante que cada molécula es eléctricamente neutra, la molécula del agua es eléctricamente asimétrica.
Los dos átomos de hidrógeno se unen al oxígeno con una ángulo de enlace entre ellos de 105°, algo menor que 109,5° que corresponde al ángulo de un tetrahedro.
Algo semejante ocurre con el amoniaco. En este compuesto los tres átomos de nitrógeno tienen entre sí un ángulo de enlace de 107° y el nitrógeno por su electronegatividad atrae la nube electrónica dejando el otro extremo de la molécula positivamente cargado. Por eso la molécula de amoniaco es dipolar, es decir, tiene una distribución asimétrica de las cargas positivas y negativas.
Otros ejemplos de moléculas dipolares son HF3; CCl3H; CH3Cl; HF; HCl. En general se denominan como moléculas polares.
En los esquemas siguientes puede observarse como los elementos se hallan desplazados hacia el Cl, F o N por acción de la gran electronegatividad de los átomos del Cl, F, O y N. Por lo tanto, la parte de la molécula que lleva dichos átomos posee carga negativa parcial mientras que el resto de la molécula queda parcialmente positiva.
Las moléculas polares se conocen frecuentemente como dipolos, ya que actúan como si llevasen pares de polos de cargas eléctricas opuestas, al igual que las agujas de las brújulas tienen polos magnéticos opuestos.
Las sustancias polares tienden a ser químicamente más activas que las no polares; algunas (las que tienen O, N o F) suelen asociarse por medio de enlaces de hidrógeno. En el caso del agua el enlace de hidrógeno explica su elevado calor de vaporización y puntos de fusión y ebullición.
Solubilidad de sustancias iónicas
Algunas sales, que son sustancias iónicas cristalinas se disuelven en agua, ya que las atracciones entre los iones de cargas opuestas que componen el retículo cristalino son superadas por la tendencia del agua a combinarse con dichos iones (hidratación de los iones).
Al disolverse una sustancia iónica como la sal común, sus iones Na+ y Cl-
se hidratan (se combinan con el agua). Una disolución de sal común tiene sus iones hidratados. Cada ión sodio o ión cloruro se combina con un número de moléculas de agua. Este proceso de hidratación proporciona parte de la energía que se requiere para deshacer el retículo cristalino.
Otros disolventes polares se combinan también con los iones de las sustancias iónicas que en ellos se disuelven convirtiéndose en iones solvatados. La hidratación es solamente un caso particular de solvatación.
Disolución de sustancias no polares
Las sustancias no polares se disuelven mutuamente. El petróleo por ejemplo, es una mezcla homogénea, esto es, una disoluación de compuestos no polares (hidrocarburos). Para remover de un objeto el aceite mineral pesado, que es un hidrocarburo, basta limpiarlo con gasolina, con benceno o con otro hidrocarburo más volátil.
El aceite de palma y la grasa de origen animal son mezclas naturales de compuestos no polares; ambos se disulven en los hidrocarburos que forman la gasolina, o en el benceno o en la bencina que son también hidrocarburos.
Por el contrario, ni el cloruro de sodio ni el sulfato de cobre se disuelven en grado apreciable en los hidrocarburos, en los aceites o grasas. Tampoco el agua disuelve los hidrocarburos ni los aceites o grasas.
Todos estos ejemplos de solubilidad y la discusión sobre sustancias polares y no polares nos lleva a una conclusión o generalización bastante conocida: “igual disuelve a igual” (o más precisamente, compuestos de estructura química parecida se disuelven o mezclan fácilmente).
En general se espera que los disolventes polares disuelvan sólo solutos polares o iónicos y que los disolventes no polares disuelvan solamente solutos no polares. En otras palabras, compuestos con estructura química semejante se mezclan fácilmente y se disuelven unos en otros fácilmente.
Por ejemplo la glucosa se disuelve en agua y ello puede atribuirse a los numerosos grupos OH que tiene el carbihidrato como puede apreciarse en las fórmulas que siguen.
En la limpieza de la ropa se utiliza el principio de “igual disuelve a igual”. Manchas de grasa son removibles con tetracloruro de carbono, manchas de suciedad producidas por dulces se remueven mejor con agua.
numeroso grupos hidroxilo, OH, iguales a los del agua.
Acción detergente
El fenómeno de la detergencia está íntimamente ligado a los aspectos que se han discutido. Un detergente tiene la capacidad de suspender la grasa en agua, como coloide o como una emulsión (o sea una suspensión mecánica de un líquido en otro líquido).
Un detergente suspende o emulsifica la grasa o la suciedad de carácter grasoso. Por lo general la suciedad de la ropa tiene ese carácter. La suciedad de los utensilios se cocina en buena parte es de carácter grasoso. Por eso es necesario utilizar jabón u otro detergente para remover la suciedad de la ropa o de los trastos de la cocina.
Las grasas o las suciedades grasosas son de naturaleza no polar y por lo tanto insolubles en agua. ¿Cómo puede entonces un detergente suspender en el agua estas sustancias grasoas?
Un detergente orgánico es una sustancia que tiene en su molécula un carácter doble: una parte polar y otra no polar debidamente colocadas y adecuadamente balanceadas.
Las fórmulas que siguen muestran la estructura del sulfato de laurilo y del palmitato de sodio (un jabón). Los jabones son los detergentes más antiguos y aún hoy en día son extensamente usados y no han sido desplazados totalmente por los detergentes modernos.
Ahora puede comprenderse mejor cómo una gota de aceite insoluble en agua, puede suspenderse en este líquido con la ayuda de un detergente que actúa como agente emulsificante, es decir, como una sustancia que estabiliza la emulsión. La figura 25-1 muestra cómo el detergente disuelve su parte no polar en el aceite y queda fuera de la gota del aceite el grupo polar soluble en agua. Con millones de moléculas del detergente así orientadas en la superficie cada gotita de aceite queda como con flotadores para permanecer suspendida en el agua, como si fuera soluble.
Para limpiar un objeto se hace necesario frotarlo o someterlo a cierta acción mecánica que precisamente tiene como objeto subdividir la suciedad en gotas o partículas pequeñas para que el detergente tenga una mayor superficie donde actuar.
Solubilidad
A una temperatura determinada, por lo general sólo cierta cantidad máxima de soluto se disuelve en una cantidad dada de disolvente.
Si se agita durante cierto tiempo un exceso de soluto (en estado finamente dividido) con el disolvente, se llega a disolver una cantidad máxima. Se dice entonces que el disolvente está saturado con el soluto. Existe entonces una situación de equilibrio entre el soluto disuelto y el no disuelto. El primero precipita o cristaliza constantemente. Así por ejemplo, 1000 mL de agua a 18°C disolverán hasta 6,6 g de KClO3 pero no más. Sin embargo, la misma cantidad de agua disolverá 213,4 g de AgNO3. Por el contrario, una disolución saturada de carbonato de calcio en agua, contendrá únicamente 0,013 g en 1000 mL.
Para describir estos ejemplos en términos de solubilidad se dirá que el clorato de potasio es sólo ligeramente soluble en agua, el nitrato de plata es muy soluble y el mármol (carbonato de calcio) muy insoluble.
No existe sustancia absolutamente insoluble, pero para simplificar, a una sustancia como mármol se le llama “insoluble” porque es demasiado poco el soluto requerido para saturar la disolución. En cambio, en algunos casos como el alcohol o la glicerina, no existen límites para su solubilidad en agua y por lo tanto no es posible alcanzar la saturación de las disoluciones.
Disolución saturada
En el párrafo anterior hemos utilizado las palabras saturado y saturar para explicar el concepto de solubilidad. La mejor forma de garantizar que una disolución esté saturada es agregando un poco de soluto que se deposite en el fondo del recipiente. Así habrá un intercambio constante entre el soluto en disolución saturada y el soluto cristalizado en el fondo del recipiente. Se establecerá así un equilibrio entre la velocidad con que las moléculas o los iones en disolución se depositan en la superficie del crital y la velocidad con que las moléculas o los iones dejan la superficie del cristal y se mezclan con las moléculas de disolvente. En el punto de equilibrio, la concentración de la disolución permanece constante ya que ambas velocidades, la de disolución y la de depositación del soluto, son iguales. Éste es un ejemplo típico de equilibrio dinámico.
Cualquier factor que trate de perturbar este equilibrio tal como evaporación del disolvente o enfriamiento de la disolución puede hacer que se deposite más soluto. También si se agrega sidolvente causa que una mayor disolución de los cristales que estaban en el fondo. Puede observarse que el Principio de Le Chatelieres aplicable también en el caso de las disoluciones saturadas en equilibrio con cristales de soluto.
Disolución diluida y disolución concentrada
Se llama disolución diluida a la que contiene poco soluto disuelto por unidad de volumen de disolvente, se aquel muy soluble o no. Disolución concentrada es la que contiene gran cantidad de soluto disuelto, por unidad de volumen del disolvente y por lo tanto, sólo puede prepararse con solutos muy solubles.
Concentración
Se llama concentración de la disolución a la cantidad de sustancia disuelta por una cantidad dada de disolvente. Al separar parcialmente el disolvente (por ejemplo por evaporación), la disolución se concentra y al eliminar totalmente el disolvente se evapora a sequedad. Al agregar disolvente la disolución se diluye. Una disolución saturada no tiene que ser una disolución concentrada; será muy diluida si la sustancia disuelta es sólo ligeramente soluble. Así es entonces posible que existan soluciones saturadas y que a la vez son concentradas. Una solución saturada de cloruro de plata, compuesto que se considera insoluble, tiene 1,4 x 10-3
gramos por litro, por lo tanto es diluída. Una disolución de sacarosa en agua que contenga 50 g de sacarosa por 100 mL de agua es concentrada pero no está saturada (se requieren 200 g de sacarosa para saturar 100 mL de agua).
Influencia de la temperatura en la solubilidad
la curva que representa la solubilidad del NaCl tiene poca pendiente entre 0 y 100°; en cambio la del KNO3 tiene una pendiente considerable.
Los casos en que la solubilidad de sólidos en líquidos disminuye al elevar la temperatura son menos comunes. El sulfato de sodio anhidro es un ejemplo de este comportamiento, lo mismo que el sulfato de cerio III.
Sobresaturación
Ya hemos indicado que, en general, la solubilidad de un sólido aumenta con la temperatura. Al enfriar una disolución que ha sido previamente saturada a una temperatura alta (70 a 90°C), el exceso de soluto se suele separar de la disolución en forma de cristales de sólido puro. Sin embargo, teniendo cuidado de evitar la presencia del menor indicio de soluto sólido en la disolución saturada antes de enfriarla, y si el enfriamiento se realiza lentamente, muchas veces se retrasa la cristalización del soluto presente en exceso; se dice que la disolución está sobresaturada. En algunos casos el retraso es de duración indefinida. Así, una disolución sobresaturada de sulfato de sodio hexahidratado, permanecería en dicho estado mucho tiempo, si se preserva del polvo y sacudidas violentas; pero hasta añadir un cristal diminuto de la misma sustancia disuelta, para que inmediatamente empiece a critalizar el exceso de soluto alrededor de aquel que sirve de núcleo para la formación de nuevos cristales. Este artificio se llama inoculación. Se dice que una disolución sobresaturada se encuentra en una condición meta estable.
Son muchas las sales que tienen la propiedad de formar disoluciones sobresaturadas; el tiosulfato de sodio Na2S2O3, el sulfato de manganeso MnSO4, el acetato de sodio NaC2H5O2, entre otros ejemplos.
PROCEDIMIENTO
PARTE A:
Solubilidad y saturación, efecto de un detergente.
Coloque 5 mL de una agua en tubo de ensayo y agregue 1 mL de alcohol etílico. Repita pero en lugar de alcohol etílico use 1 mL de glicerina., de éter, de aceite vegetal y de gasolina para determinar la solubilidad de estas sustancias, o mezclas según sea el caso en agua.
Coloque 5 mL de gasolina en un tubo de ensayo y añada 1 mL de aceite. Repita usando benceno en lugar de gasolina. Anote los resultados.
Coloque 5 mL de agua en un tubo de ensayo y agregue 1 gramo de cloruro de potasio. Agite. Observe si ocurre un cambio de temperatura y anote este hecho. Repita la experiencia con cloruro de amonio, con hidróxido de sodio, con cloruro de sodio y sulfato de bario.
Coloque 10 mL de agua en un tubo de ensayo grande. Agregue poco a poco cloruro de sodio hasta obtener una disolución saturada. Caliente ahora la disolución hasta el punto de ebullición y sature nuevamente con NaCl. Enfríe la disolución en el tubo con agua fría y observe el resultado. Repita la experiencia con nitrato de potasio en lugar de cloruro de sodio. NOTA: Se necesita aproximadamente 4 g de cloruro de sodio y 10 g de nitrato de potasio; es difícil saturar una disolción caliente en KNO 3, por eso se recomienda usar un máximo de 10 g).
Agregue 3 gotas de aceite a 5 mL de agua en un tubo de ensayo. Agite y observe el resultado. Agregue al mismo tubo ahora 0,5 g de un detergente en polvo. Agite y observe el resultado.
RESULTADOS:
¿Se disuelve el aceite en la gasolina? ¿En el benceno? Ofrezca una explicación para la solubilidad del alcohol etílico y de la glicerina en agua (escriba además las fórmulas). Marque con una X en la columna correspondiente (copie esta tabla en su cuaderno de laboratorio).
Sustancia o Mezcla Muy soluble en agua Poco soluble en agua Insoluble en agua Alcohol etílico
Glicerina
Éter etílico
Aceite vegetal
Gasolina
Tabule los datos que indican copiando esta tabla en su cuaderno de laboratorio.
Compuesto Cambio de
temperatura observado
Soluble en agua Insoluble en agua
Cloruro de potasio
Cloruro de amonio
Hidróxido de sodio
Cloruro de sodio
El aceite vegetal y la gasolina no se disolvieron en agua, ¿Por qué?. Escriba la fórmula desarrollada de un triglicérido y la del octano. ¿Es el aceite un compuesto o una mezcla? ¿Y la gasolina? Explique cómo actúa el éter en cuanto a su solubilidad en agua. Esciba la fórmula del éter etílico.
Con base en las curvas de solubilidad del NaCl y KNO3 (consulte la figura 25-6) explique le comportamiento de estas sales cuando se trató de saturar 10 mL de agua con cada una de ellas por separado. Dibuje esas curvas de solubilidad copiándolas de la figura 25-6.
¿Cuál es el efecto de un detergente en una mezcla de aceite y agua? Explique.
¿Por qué el detergente sirve como emulsionante? Haga un diagrama y escriba las fórmulas químicas que ilustran el proceso.
PARTE B:
Sobresaturación.
Coloque alrededor de 5 g de acetato de sodio 3 hidrato en un erlenmeyer pequeño. Humedezca con unas pocas gotas de agua y caliente hasta que la sal se disuelva completamente. Coloque un tapón de corcho en la boca del erlenmeyer y déjelo que se enfríe a la temperatura ambiente sin perturbarlo. El tapón debe colocarse suavemente de manera que se pueda quitar con facilidad cuando la disolución esté fría; cuando esto último se logra introduzca al erlenmeyer un cristalito de acetato de sodio y note la cristalización inmediata y el desprendimiento de calor.
RESULTADOS:
¿Por qué el acetato de sodio se disuelve en solamente unas gotas de agua? Describa el fenómeno observado al “sembrar” o “inocular” la disolución sobresaturada con un cristalito de acetato de sodio. Indique si otro u otras sustancias pueden actuar en forma semejante a la forma como actúa el acetato de sodio.
CUESTIONARIO FINAL
1.¿Qué es bencina? ¿Qué es benceno? ¿Cuál es su fórmula?
2.¿Qué es una emulsión? ¿Qué es un agente tenso activo? ¿Qué es un agente amulsificante? 3.¿Qué sucede al agitar una bebida que está saturada con anhídrico carbónico? Explique.
4. Averigüe la fórmula del detergente y escríbala. Compare con la del jabón. ¿Por qupe ambos son dipolares?
5.¿Son los jabones y los detergentes agentes emulsificantes? Explique y compare fórmulas generales. 6.¿Qué es dureza del agua? Busque la respuesta en su libro de texto.
