Solubilitatea

Solubilitatea, numită și coeficient de solubilitate ($S$), arată masa maximă de substanță care se dizolvă în $100$ g de solvent, la o temperatură precizată. Pentru solide se exprimă în grame la $100$ g apă. O soluție nesaturată mai dizolvă solvat; una saturată a atins limita la temperatura respectivă. Apa, solvent puternic polar, dizolvă substanțele ionice și polare, precum $\mathrm{NaCl}$ și zahărul; etanolul, mai puțin polar, dizolvă substanțe moleculare cu polaritate redusă, precum iodul, dar $\mathrm{NaCl}$ se dizolvă în el doar în urme (aproximativ $0,065$ g la $100$ g etanol, la $25{}^{\circ }\mathrm{C}$); solvenții nepolari, ca benzina și hexanul, dizolvă substanțele nepolare, precum grăsimile și iodul. La încălzire, solubilitatea $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ crește mult, iar a $\mathrm{NaCl}$ crește puțin. Solubilitatea gazelor în apă scade la încălzire și crește la presiune mai mare.

Solvenți polari și nepolari. Molecula de apă este polară, deci apa dizolvă substanțele ionice (prin atracție ion–dipol) și substanțele cu grupe $-\mathrm{OH}$ (prin legături de hidrogen): sare, zahăr, etanol. Hexanul și benzenul, cu molecule nepolare, dizolvă hidrocarburile, grăsimile și iodul. Cristalul de $\mathrm{NaCl}$ nu se dizolvă în hexan, iar uleiul nu se dizolvă în apă. Iodul se dizolvă foarte puțin în apă și bine în solvenți nepolari, unde formează soluții violete.

Tipuri de soluții. O soluție saturată conține solvat în echilibru cu excesul de solid: tot ce se adaugă peste $S$ rămâne nedizolvat. O soluție suprasaturată conține mai mult solvat decât soluția saturată la aceeași temperatură; ea este instabilă și cristalizează la introducerea unui cristal.

Date pentru solide. La $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, $S(\mathrm{NaCl})\approx 36$ g/$100$ g apă, iar $S(\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3)=31,6$ g. La $60{}^{\circ }\mathrm{C}$, $S(\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3)=110$ g. Nitratul de potasiu își mărește mult solubilitatea prin încălzire, iar clorura de sodiu foarte puțin ($S\approx 39$ g la $100{}^{\circ }\mathrm{C}$). Zahărul are $S\approx 204$ g/$100$ g apă la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, deci $100$ g apă dizolvă peste $200$ g zahăr. Coeficientul $S$ se raportează la $100$ g solvent, nu la $100$ g soluție. Hidroxidul de calciu face excepție: se dizolvă mai bine în apă rece decât în apă caldă.

Exemplu rezolvat 1: determinarea lui $S$. Din $50$ g soluție saturată la o anumită temperatură, prin evaporarea apei rămân $12,5$ g sare.

1. Masa apei este $50-12,5=37,5$ g.
2. În $37,5$ g apă sunt dizolvate $12,5$ g sare; pentru $100$ g apă: $S=12,5\cdot 100/37,5=33,3$ g.
3. Verificare: $c\%=S/(100+S)\cdot 100=33,3/133,3\cdot 100=25\%$, adică $12,5/50\cdot 100$.

Exemplu rezolvat 2: soluție nesaturată sau saturată. La $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ se introduc $15$ g $\mathrm{NaCl}$ în $50$ g apă.

1. Masa maximă dizolvabilă este $36\cdot 50/100=18$ g.
2. Deoarece $15<18$, soluția este nesaturată și mai dizolvă $3$ g.
3. Dacă se adaugă încă $5$ g, în total $20$ g, se dizolvă $18$ g și $2$ g rămân la fund.

Exemplu rezolvat 3: tabelul pentru $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$. Pentru $40$ g apă: $m=110\cdot 40/100=44$ g $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ formează soluție saturată, cu masa $40+44=84$ g.

Citirea unei curbe de solubilitate. Curba arată $S$ în funcție de temperatură. Un punct situat pe curbă corespunde unei soluții saturate, un punct sub curbă unei soluții nesaturate, iar un punct deasupra curbei unei soluții suprasaturate. Curba lui $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ urcă abrupt, curba lui $\mathrm{NaCl}$ este aproape orizontală, de aceea răcirea separă mult $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ și aproape deloc $\mathrm{NaCl}$.

Gazele. Solubilitatea unui gaz în apă scade cu temperatura și crește cu presiunea. Amoniacul și clorura de hidrogen sunt foarte solubile, deoarece sunt polare și reacționează cu apa; azotul și oxigenul sunt puțin solubile. De aceea peștii au mai puțin oxigen în apa caldă de vară.

Viteza nu schimbă limita. Solubilitatea nu este viteza dizolvării: agitarea și mărunțirea accelerează atingerea saturației, dar nu modifică $S$ la temperatură fixă.

Relații utile pentru solubilitatea $S$ (g la $100$ g apă):

• masa maximă de solvat în $m_{\text{apa˘}}$: $m=S\cdot m_{\text{apa˘}}/100$;
• masa soluției saturate: $m_{\text{sol}}=m_{\text{apa˘}}(100+S)/100$;
• concentrația soluției saturate: $c\%=S/(100+S)\cdot 100$. Pentru $S=25$: $25/125\cdot 100=20\%$, nu $25\%$.

Răcirea unei soluții saturate. Din soluția saturată la temperatura $T_1$ cristalizează diferența dintre cantitatea de solvat dizolvată și cea care rămâne dizolvată în aceeași apă la $T_2$. Dacă solidul separat este anhidru, apa rămâne neschimbată. Exemplu: $200$ g apă dizolvă $80$ g sare la cald; la răcire solubilitatea devine $25$ g la $100$ g, deci rămân dizolvați $50$ g și cristalizează $30$ g.

Exemplu în format de admitere. O sare are $S=60$ g/$100$ g apă la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $S=30$ g/$100$ g apă la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$. Câte grame de sare cristalizează prin răcirea a $300$ g soluție saturată de la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$? A. 30; B. 45; C. 56,25; D. 60; E. 112,5.

1. La $60{}^{\circ }\mathrm{C}$, $160$ g soluție conțin $60$ g sare; $300$ g soluție conțin $300\cdot 60/160=112,5$ g sare și $187,5$ g apă.
2. La $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, $187,5$ g apă dizolvă $30\cdot 187,5/100=56,25$ g sare.
3. Cristalizează $112,5-56,25=56,25$ g. Răspuns: C.

Dacă solidul separat este un cristalohidrat, apa de cristalizare iese din soluție. Exemplu cu $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$ ($S=40$ g/$100$ g apă la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $20$ g/$100$ g apă la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$): o soluție saturată de $280$ g la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ conține $200$ g apă și $80$ g $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$. Fie $x$ masa de $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4\cdot 5{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ separată ($M=250$ g/mol; sarea anhidră are $160/250=0,64$ din masa lui, apa $0,36$). În soluția rămasă sunt $80-0,64x$ g sare și $200-0,36x$ g apă, iar raportul lor este $20/100$:

$\frac{80-0,64x}{200-0,36x}=0,20\Rightarrow 40=0,568x\Rightarrow x\approx 70,4\text{g}.$

Gazele: conform legii lui Henry, solubilitatea unui gaz este proporțională cu presiunea parțială a gazului: dacă la $1$ atm se dizolvă $1,7$ g dintr-un gaz într-un litru de apă, la $3$ atm se dizolvă $5,1$ g. Solubilitatea gazului scade cu creșterea temperaturii, iar agitarea o face să se stabilească mai repede, fără să o schimbe.

Greșeli frecvente

• Greșit: Agitarea dublează solubilitatea la aceeași temperatură.
  Corect: mărește viteza dizolvării, nu cantitatea maximă la echilibru.
• Greșit: Dacă $S=25$ g/$100$ g apă, soluția saturată are concentrația $25\%$.
  Corect: $25$ g sunt dizolvați în $125$ g soluție, deci concentrația este $20\%$.
• Greșit: Solubilitatea oricărui solid în apă crește la încălzire.
  Corect: $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$ se comportă așa, dar $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$ se dizolvă mai bine la rece, iar solubilitatea gazelor scade la încălzire.
• Greșit: Sarea $\mathrm{NaCl}$ se dizolvă în hexan, pentru că orice solid se dizolvă în orice lichid.
  Corect: $\mathrm{NaCl}$ este ionică, iar hexanul este nepolar și nu o dizolvă; „asemănătorul dizolvă asemănătorul”.
• Greșit: Dacă se adaugă $120$ g sare în $250$ g apă, unde $S=40$ g/$100$ g, se dizolvă toată sarea.
  Corect: se dizolvă cel mult $100$ g; $20$ g rămân nedizolvați.

Înainte și după