Solubilidade - Solubility

Exemplo para um sólido dissolvido (esquerda)
Formação de cristais em solução de sulfato de amônio 4,2 M. A solução foi inicialmente preparada a 20 ° C e então armazenada por 2 dias a 4 ° C.

Solubilidade é a propriedade de uma substância química sólida , líquida ou gasosa , chamada soluto, de se dissolver em um solvente sólido, líquido ou gasoso . A solubilidade de uma substância depende fundamentalmente das propriedades físicas e químicas do soluto e do solvente, bem como da temperatura, pressão e presença de outros produtos químicos (incluindo mudanças no pH ) da solução. A extensão da solubilidade de uma substância em um solvente específico é medida como a concentração de saturação , onde adicionar mais soluto não aumenta a concentração da solução e começa a precipitar a quantidade em excesso de soluto.

Insolubilidade é a incapacidade de se dissolver em um solvente sólido, líquido ou gasoso.

Na maioria das vezes, o solvente é um líquido, que pode ser uma substância pura ou uma mistura . Também se pode falar de solução sólida , mas raramente de solução em um gás (veja o equilíbrio líquido-vapor ).

Sob certas condições, a solubilidade de equilíbrio pode ser excedida para dar uma solução chamada supersaturada , que é metaestável . A metaestabilidade dos cristais também pode levar a diferenças aparentes na quantidade de um produto químico que se dissolve, dependendo de sua forma cristalina ou tamanho de partícula. Uma solução supersaturada geralmente cristaliza quando cristais "semente" são introduzidos e ocorre um rápido equilíbrio. O fenilsalicilato é uma dessas substâncias observáveis ​​simples quando totalmente derretido e, em seguida, resfriado abaixo de seu ponto de fusão.

A solubilidade não deve ser confundida com a capacidade de dissolver uma substância, porque a solução também pode ocorrer devido a uma reação química. Por exemplo, o zinco se dissolve (com efervescência ) em ácido clorídrico como resultado de uma reação química liberando gás hidrogênio em uma reação de deslocamento . Os íons zinco são solúveis no ácido.

A solubilidade de uma substância é uma propriedade totalmente diferente da taxa de solução , que é a rapidez com que ela se dissolve. Quanto menor for uma partícula, mais rápido ela se dissolve, embora haja muitos fatores a serem adicionados a essa generalização.

Crucialmente, a solubilidade se aplica a todas as áreas da química, geoquímica, inorgânica, física, orgânica e bioquímica. Em todos os casos, dependerá das condições físicas (temperatura, pressão e concentração) e da entalpia e entropia diretamente relacionadas aos solventes e solutos em questão. De longe, o solvente mais comum na química é a água, que é um solvente para a maioria dos compostos iônicos, bem como para uma ampla gama de substâncias orgânicas. Este é um fator crucial na acidez e alcalinidade e muito trabalho ambiental e geoquímico.

Definição IUPAC

De acordo com a definição da IUPAC , solubilidade é a composição analítica de uma solução saturada expressa como uma proporção de um soluto designado em um solvente designado. A solubilidade pode ser declarada em várias unidades de concentração, como molaridade, molalidade, fração molar, razão molar, massa (soluto) por volume (solvente) e outras unidades.

Qualificadores usados ​​para descrever a extensão da solubilidade

A extensão da solubilidade varia amplamente, de infinitamente solúvel (sem limite) ( miscível ), como etanol em água, a pouco solúvel, como cloreto de prata em água. O termo insolúvel é freqüentemente aplicado a compostos pouco ou muito pouco solúveis. Uma série de outros termos descritivos também são usados ​​para qualificar a extensão da solubilidade para uma determinada aplicação. Por exemplo, a Farmacopeia dos EUA fornece os seguintes termos:

Prazo Partes da massa do solvente necessárias para dissolver 1 parte da massa do soluto
Muito solúvel <1
Muito solúvel 1 a 10
Solúvel 10 a 30
Moderadamente solúvel 30 a 100
Ligeiramente solúvel 100 a 1000
Muito ligeiramente solúvel 1000 a 10.000
Praticamente insolúvel ou insolúvel ≥ 10.000

Os limites para descrever algo como insolúvel ou termos semelhantes podem depender da aplicação. Por exemplo, uma fonte afirma que as substâncias são descritas como "insolúveis" quando sua solubilidade é inferior a 0,1 g por 100 mL de solvente.

Vista molecular

A solubilidade ocorre em equilíbrio dinâmico, o que significa que a solubilidade resulta dos processos simultâneos e opostos de dissolução e junção de fases (por exemplo, precipitação de sólidos ). O equilíbrio da solubilidade ocorre quando os dois processos procedem a uma taxa constante.

O termo solubilidade também é usado em alguns campos onde o soluto é alterado pela solvólise . Por exemplo, muitos metais e seus óxidos são considerados "solúveis em ácido clorídrico", embora de fato o ácido aquoso degrada irreversivelmente o sólido para dar produtos solúveis. Também é verdade que a maioria dos sólidos iônicos são dissolvidos por solventes polares, mas tais processos são reversíveis. Nos casos em que o soluto não é recuperado após a evaporação do solvente, o processo é referido como solvólise. O conceito termodinâmico de solubilidade não se aplica diretamente à solvólise.

Quando um soluto se dissolve, ele pode formar várias espécies na solução. Por exemplo, uma suspensão aquosa de hidróxido ferroso , Fe (OH)
2
, conterá a série [Fe (H
2
O)
x
(OH)
x
](2x) +
bem como outras espécies. Além disso, a solubilidade do hidróxido ferroso e a composição de seus componentes solúveis dependem do pH . Em geral, a solubilidade na fase de solvente pode ser dada apenas para um soluto específico que é termodinamicamente estável, e o valor da solubilidade incluirá todas as espécies na solução (no exemplo acima, todos os complexos contendo ferro).

Fatores que afetam a solubilidade

A solubilidade é definida para fases específicas . Por exemplo, espera-se que a solubilidade da aragonita e da calcita em água seja diferente, embora ambas sejam polimorfos de carbonato de cálcio e tenham a mesma fórmula química .

A solubilidade de uma substância em outra é determinada pelo equilíbrio das forças intermoleculares entre o solvente e o soluto e pela mudança de entropia que acompanha a solvatação. Fatores como temperatura e pressão irão alterar esse equilíbrio, alterando a solubilidade.

A solubilidade também pode depender fortemente da presença de outras espécies dissolvidas no solvente, por exemplo, ânions formadores de complexos ( ligantes ) em líquidos. A solubilidade também dependerá do excesso ou deficiência de um íon comum na solução, fenômeno conhecido como efeito do íon comum . Em menor grau, a solubilidade dependerá da força iônica das soluções. Os dois últimos efeitos podem ser quantificados usando a equação de equilíbrio de solubilidade .

Para um sólido que se dissolve em uma reação redox, espera-se que a solubilidade dependa do potencial (dentro da faixa de potenciais sob a qual o sólido permanece a fase termodinamicamente estável). Por exemplo, a solubilidade do ouro em água em alta temperatura é observada quase uma ordem de magnitude maior (ou seja, cerca de dez vezes maior) quando o potencial redox é controlado usando um tampão redox Fe 3 O 4 -Fe 2 O 3 altamente oxidante do que com um tampão Ni-NiO moderadamente oxidante.

SolubilityVsTemperature.png

A solubilidade (metaestável, em concentrações próximas da saturação) também depende do tamanho físico do cristal ou da gota de soluto (ou, estritamente falando, da área de superfície específica ou área de superfície molar do soluto). Para quantificação, consulte a equação no artigo sobre equilíbrio de solubilidade . Para cristais altamente defeituosos, a solubilidade pode aumentar com o aumento do grau de desordem. Ambos os efeitos ocorrem devido à dependência da constante de solubilidade na energia de Gibbs do cristal. Os dois últimos efeitos, embora muitas vezes difíceis de medir, são de importância prática. Por exemplo, eles fornecem a força motriz para o envelhecimento do precipitado (o tamanho do cristal aumenta espontaneamente com o tempo).

Temperatura

A solubilidade de um determinado soluto em um determinado solvente é função da temperatura. Dependendo da mudança na energia livre de Gibbs (ΔG) da reação de dissolução, ou seja , no caráter endotérmico (ΔG> 0) ou exotérmico (ΔG <0) da reação de dissolução, a solubilidade de um determinado composto pode aumentar ou diminuir com temperatura. A equação de van 't Hoff relaciona a mudança da constante de equilíbrio de solubilidade (K sp ) à mudança de temperatura e à mudança de entalpia de reação (ΔH). Para a maioria dos sólidos e líquidos, sua solubilidade aumenta com a temperatura porque sua reação de dissolução é endotérmica (ΔG> 0). Em água líquida em altas temperaturas (por exemplo, aquela que se aproxima da temperatura crítica ), a solubilidade dos solutos iônicos tende a diminuir devido à mudança das propriedades e da estrutura da água líquida; a constante dielétrica mais baixa resulta em um solvente menos polar e em uma mudança de energia de hidratação afetando o ΔG da reação de dissolução.

Os solutos gasosos exibem um comportamento mais complexo com a temperatura. Conforme a temperatura é elevada, os gases geralmente se tornam menos solúveis em água (reação de dissolução exotérmica relacionada à sua hidratação) (ao mínimo, que é abaixo de 120 ° C para a maioria dos gases permanentes), mas mais solúveis em solventes orgânicos (reação de dissolução endotérmica relacionada a sua solvatação).

O gráfico mostra curvas de solubilidade para alguns sais inorgânicos sólidos típicos (a temperatura é em graus Celsius, ou seja, Kelvin menos 273,15). Muitos sais se comportam como nitrato de bário e arseniato de hidrogênio dissódico , e mostram um grande aumento na solubilidade com a temperatura (ΔG> 0). Alguns solutos (por exemplo, cloreto de sódio em água) exibem solubilidade que é bastante independente da temperatura (ΔG ≈ 0). Alguns, como o sulfato de cálcio ( gesso ) e o sulfato de cério (III) , tornam-se menos solúveis em água com o aumento da temperatura (ΔG <0). Este também é o caso do hidróxido de cálcio ( portlandita ), cuja solubilidade a 70 ° C é cerca de metade de seu valor a 25 ° C. A dissolução do hidróxido de cálcio em água também é um processo exotérmico (ΔG <0) e obedece à equação de van 't Hoff e ao princípio de Le Chatelier . Uma redução da temperatura favorece a remoção do calor de dissolução do sistema e, portanto, favorece a dissolução do Ca (OH) 2 : assim, a solubilidade da portlandita aumenta em baixa temperatura. Esta dependência da temperatura é por vezes referida como solubilidade "retrógrada" ou "inversa". Ocasionalmente, um padrão mais complexo é observado, como com sulfato de sódio , onde o cristal deca hidrato menos solúvel ( mirabilita ) perde água de cristalização a 32 ° C para formar uma fase anidra mais solúvel ( tenardita ) devido à mudança na energia livre de Gibbs ( ΔG), da reação de dissolução.

Solublidade de dependência de temperatura de sólido em água líquida alta temperatura.

A solubilidade dos compostos orgânicos quase sempre aumenta com a temperatura. A técnica de recristalização , usada para purificação de sólidos, depende das diferentes solubilidades de um soluto em solvente quente e frio. Existem algumas exceções, como certas ciclodextrinas .

Pressão

Para fases condensadas (sólidos e líquidos), a dependência da solubilidade com a pressão é tipicamente fraca e geralmente negligenciada na prática. Assumindo uma solução ideal , a dependência pode ser quantificada como:

onde o índice itera os componentes, é a fração molar do -ésimo componente na solução, é a pressão, o índice refere-se à temperatura constante, é o volume molar parcial do -ésimo componente na solução, é o volume molar parcial do -ésimo componente no sólido em dissolução, e é a constante universal de gás .

A dependência da solubilidade com a pressão ocasionalmente tem significado prático. Por exemplo, a precipitação de incrustação de campos de petróleo e poços por sulfato de cálcio (que diminui sua solubilidade com a diminuição da pressão) pode resultar em diminuição da produtividade com o tempo.

Solubilidade de gases

A lei de Henry é usada para quantificar a solubilidade de gases em solventes. A solubilidade de um gás em um solvente é diretamente proporcional à pressão parcial desse gás acima do solvente. Essa relação é semelhante à lei de Raoult e pode ser escrita como:

onde é uma constante dependente da temperatura (por exemplo, 769,2 L · atm / mol para dioxigênio (O 2 ) em água a 298 K), é a pressão parcial (atm) e é a concentração do gás dissolvido no líquido ( mol / L).

A solubilidade dos gases às vezes também é quantificada usando o coeficiente de solubilidade de Bunsen .

Na presença de pequenas bolhas , a solubilidade do gás não depende do raio da bolha de nenhuma outra forma que não através do efeito do raio na pressão (ou seja, a solubilidade do gás no líquido em contato com pequenas bolhas é aumentada devido a aumento de pressão por Δp ​​= 2γ / r; consulte a equação de Young-Laplace ).

A lei de Henry é válida para gases que não sofrem mudança de especiação química na dissolução. A lei de Sieverts mostra um caso em que essa suposição não é válida.

A solubilidade do dióxido de carbono na água do mar também é afetada pela temperatura, pH da solução e pelo tampão carbonato . A diminuição da solubilidade do dióxido de carbono na água do mar quando a temperatura aumenta também é um fator de retroação importante (feedback positivo), exacerbando as mudanças climáticas passadas e futuras, conforme observado nos núcleos de gelo do local da Vostok na Antártica . Na escala de tempo geológica , por causa dos ciclos de Milankovich , quando os parâmetros astronômicos da órbita terrestre e seu eixo de rotação mudam progressivamente e modificam a irradiância solar na superfície terrestre, a temperatura começa a aumentar. Quando um período de degelo é iniciado, o aquecimento progressivo dos oceanos libera CO 2 na atmosfera devido à sua menor solubilidade na água do mar mais quente. Por sua vez, níveis mais elevados de CO 2 na atmosfera aumentam o efeito estufa e o dióxido de carbono atua como amplificador do aquecimento geral.

Polaridade

Um aforismo popular usado para prever a solubilidade é " como se dissolve como ", também expresso na língua latina como " Similia similibus solventeur ". Esta declaração indica que um soluto se dissolverá melhor em um solvente que tenha uma estrutura química semelhante a ele mesmo. Essa visão é simplista, mas é uma regra prática útil. A capacidade geral de solvatação de um solvente depende principalmente de sua polaridade . Por exemplo, um soluto muito polar ( hidrofílico ) como a ureia é muito solúvel em água altamente polar, menos solúvel em metanol razoavelmente polar e praticamente insolúvel em solventes apolares como o benzeno . Em contraste, um soluto apolar ou lipofílico como o naftaleno é insolúvel em água, bastante solúvel em metanol e altamente solúvel em benzeno apolar.

Dissolução de cloreto de sódio em água

Em termos ainda mais simples, um composto iônico simples (com íons positivos e negativos), como cloreto de sódio (sal comum) é facilmente solúvel em um solvente altamente polar (com alguma separação de cargas positivas (δ +) e negativas (δ-) em a molécula covalente) como a água , visto que o mar é salgado, pois acumula sais dissolvidos desde as primeiras idades geológicas.

A solubilidade é favorecida pela entropia de misturaS ) e depende da entalpia de dissoluçãoH ) e do efeito hidrofóbico . A energia livre de dissolução ( energia de Gibbs ) depende da temperatura e é dada pela relação: Δ L = Δ H - TΔ S .

Os químicos frequentemente exploram as diferenças nas solubilidades para separar e purificar compostos das misturas de reação, usando a técnica de extração líquido-líquido . Isso se aplica a vastas áreas da química, desde a síntese de drogas até o reprocessamento de combustível nuclear usado .

Taxa de dissolução

A dissolução não é um processo instantâneo. A taxa de solubilização (em kg / s) está relacionada ao produto de solubilidade e à área de superfície do material. A velocidade de dissolução de um sólido pode depender de sua cristalinidade ou da falta dela no caso de sólidos amorfos e da área superficial (tamanho do cristalito) e da presença de polimorfismo . Muitos sistemas práticos ilustram este efeito, por exemplo, na concepção de métodos para a distribuição controlada de drogas . Em alguns casos, o equilíbrio de solubilidade pode levar muito tempo para se estabelecer (horas, dias, meses ou muitos anos; dependendo da natureza do soluto e de outros fatores).

A taxa de dissolução pode ser frequentemente expressa pela equação de Noyes-Whitney ou a equação de Nernst e Brunner da forma:

Onde:

= massa de material dissolvido
= tempo
= área de superfície da interface entre a substância dissolvente e o solvente
= coeficiente de difusão
= espessura da camada limite do solvente na superfície da substância dissolvente
= concentração de massa da substância na superfície
= concentração de massa da substância na massa do solvente

Para dissolução limitada por difusão (ou transferência de massa, se houver mistura), é igual à solubilidade da substância. Quando a taxa de dissolução de uma substância pura é normalizada para a área de superfície do sólido (que geralmente muda com o tempo durante o processo de dissolução), ela é expressa em kg / m 2 se referida como "taxa de dissolução intrínseca". A taxa de dissolução intrínseca é definida pela Farmacopeia dos Estados Unidos .

As taxas de dissolução variam em ordens de magnitude entre os diferentes sistemas. Normalmente, taxas de dissolução muito baixas são paralelas às baixas solubilidades, e as substâncias com altas solubilidades exibem altas taxas de dissolução, como sugerido pela equação de Noyes-Whitney.

Quantificação de solubilidade

A solubilidade é comumente expressa como uma concentração; por exemplo, como g de soluto por kg de solvente, g por dL (100 mL) de solvente , molaridade , molalidade , fração molar , etc. A quantidade máxima de equilíbrio de soluto que pode dissolver por quantidade de solvente é a solubilidade desse soluto nesse solvente nas condições especificadas. A vantagem de expressar a solubilidade dessa maneira é sua simplicidade, enquanto a desvantagem é que pode depender fortemente da presença de outras espécies no solvente (por exemplo, o efeito de íon comum).

As constantes de solubilidade são usadas para descrever soluções saturadas de compostos iônicos de solubilidade relativamente baixa (ver equilíbrio de solubilidade ). A constante de solubilidade é um caso especial de constante de equilíbrio . Ele descreve o equilíbrio entre os íons dissolvidos do sal e o sal não dissolvido. A constante de solubilidade também é "aplicável" (isto é, útil) à precipitação , o inverso da reação de dissolução. Tal como acontece com outras constantes de equilíbrio, a temperatura pode afetar o valor numérico da constante de solubilidade. A constante de solubilidade não é tão simples quanto a solubilidade, porém o valor desta constante é geralmente independente da presença de outras espécies no solvente.

A teoria da solução de Flory-Huggins é um modelo teórico que descreve a solubilidade dos polímeros. Os parâmetros de solubilidade de Hansen e os parâmetros de solubilidade de Hildebrand são métodos empíricos para a previsão da solubilidade. Também é possível prever a solubilidade de outras constantes físicas, como a entalpia de fusão .

O coeficiente de partição octanol-água , geralmente expresso como seu logaritmo (Log P), é uma medida da solubilidade diferencial de um composto em um solvente hidrofóbico ( 1-octanol ) e um solvente hidrofílico (água). O logaritmo desses dois valores permite que os compostos sejam classificados em termos de hidrofilicidade (ou hidrofobicidade).

A mudança de energia associada à dissolução é geralmente dada por mol de soluto como a entalpia da solução .

Formulários

A solubilidade é de fundamental importância em um grande número de disciplinas científicas e aplicações práticas, que vão do processamento de minérios e reprocessamento nuclear ao uso de medicamentos e transporte de poluentes.

A solubilidade é frequentemente considerada uma das "propriedades características de uma substância", o que significa que a solubilidade é comumente usada para descrever a substância, para indicar a polaridade de uma substância, para ajudar a distingui-la de outras substâncias e como um guia para aplicações da substância. Por exemplo, o índigo é descrito como "insolúvel em água, álcool ou éter, mas solúvel em clorofórmio, nitrobenzeno ou ácido sulfúrico concentrado".

A solubilidade de uma substância é útil para separar misturas. Por exemplo, uma mistura de sal ( cloreto de sódio ) e sílica pode ser separada dissolvendo o sal em água e filtrando a sílica não dissolvida. A síntese de compostos químicos, por miligrama em um laboratório, ou por tonelada, na indústria, faz uso das solubilidades relativas do produto desejado, bem como de materiais de partida não reagidos, subprodutos e produtos colaterais para conseguir a separação.

Outro exemplo disso é a síntese de ácido benzóico a partir de brometo de fenilmagnésio e gelo seco . O ácido benzóico é mais solúvel em um solvente orgânico, como diclorometano ou éter dietílico , e quando agitado com este solvente orgânico em um funil de separação , preferencialmente se dissolve na camada orgânica. Os outros produtos da reação, incluindo o brometo de magnésio, permanecerão na camada aquosa, mostrando claramente que a separação com base na solubilidade é alcançada. Este processo, conhecido como extração líquido-líquido , é uma técnica importante na química sintética . A reciclagem é usada para garantir a extração máxima.

Solubilidade diferencial

Em sistemas de fluxo, as diferenças na solubilidade geralmente determinam o transporte de espécies impulsionado pela precipitação da dissolução. Isso acontece quando diferentes partes do sistema experimentam condições diferentes. Mesmo condições ligeiramente diferentes podem resultar em efeitos significativos, se houver tempo suficiente.

Por exemplo, compostos de solubilidade relativamente baixa são considerados solúveis em ambientes mais extremos, resultando em efeitos geoquímicos e geológicos da atividade de fluidos hidrotermais na crosta terrestre. Estas são frequentemente a fonte de depósitos minerais econômicos de alta qualidade e gemas preciosas ou semipreciosas. Da mesma forma, compostos com baixa solubilidade se dissolvem ao longo do tempo (tempo geológico), resultando em efeitos significativos, como extensos sistemas de cavernas ou superfícies de terra cársticas.

Solubilidade de compostos iônicos em água

Alguns compostos iônicos ( sais ) se dissolvem na água, o que surge devido à atração entre cargas positivas e negativas (ver: solvatação ). Por exemplo, os íons positivos do sal (por exemplo, Ag + ) atraem os oxigênios parcialmente negativos em H
2
O
. Da mesma forma, os íons negativos do sal (por exemplo, Cl - ) atraem os hidrogênios parcialmente positivos em H
2
O
. Nota: o oxigênio é parcialmente negativo porque é mais eletronegativo que o hidrogênio e vice-versa (ver: polaridade química ).

AgCl
(s)
⇌ Ag+

(aq)
+ Cl-

(aq)

No entanto, há um limite de quanto sal pode ser dissolvido em um determinado volume de água. Esta quantidade é dada pelo produto de solubilidade , K sp . Este valor depende do tipo de sal ( AgCl vs. NaCl , por exemplo), da temperatura e do efeito do íon comum.

Pode-se calcular a quantidade de AgCl que se dissolve em 1 litro de água, alguma álgebra é necessária.

K sp = [Ag + ] × [Cl - ] (definição de produto de solubilidade)
K sp = 1,8 × 10 −10 (de uma tabela de produtos de solubilidade)

[Ag + ] = [Cl - ], na ausência de outros sais de prata ou cloreto,

[Ag + ] 2 = 1,8 × 10 −10
[Ag + ] = 1,34 × 10 −5

O resultado: 1 litro de água pode dissolver 1,34 × 10 −5 moles de AgCl
(s)
à temperatura ambiente. Comparado com outros tipos de sais, o AgCl é pouco solúvel em água. Em contraste, o sal de cozinha ( NaCl ) possui um K sp mais alto e, portanto, é mais solúvel.

Solúvel Insolúvel
Compostos do Grupo I e NH 4 + (exceto fosfato de lítio ) Carbonatos (exceto Grupo I , NH 4 + e compostos de uranil )
Nitratos Sulfitos (exceto compostos do Grupo I e NH 4 + )
Acetatos (etanoatos) (exceto compostos Ag + ) Fosfatos (exceto compostos do Grupo I e NH 4 + (excluindo Li + ))
Cloretos (cloratos e percloratos), brometos e iodetos (exceto Ag + , Pb 2+ , Cu + e Hg 2 2+ ) Hidróxidos e óxidos (exceto Grupo I , NH 4 + , Ba 2+ , Sr 2+ e Tl + )
Sulfatos (exceto Ag + , Pb 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ e Ca 2+ ) Sulfetos (exceto compostos do Grupo I , Grupo II e NH 4 + )

Solubilidade de compostos orgânicos

O princípio descrito acima sob a polaridade , que semelhante se dissolve semelhante , é o guia usual para a solubilidade com sistemas orgânicos. Por exemplo, a vaselina se dissolve na gasolina porque tanto a vaselina quanto a gasolina são hidrocarbonetos apolares. Por outro lado, não se dissolve em álcool etílico ou água, pois a polaridade desses solventes é muito alta. O açúcar não se dissolve na gasolina, pois o açúcar é muito polar em comparação com a gasolina. Uma mistura de gasolina e açúcar pode, portanto, ser separada por filtração ou extração com água.

Solução sólida

Este termo é freqüentemente usado no campo da metalurgia para se referir à extensão em que um elemento de liga se dissolverá no metal de base sem formar uma fase separada. O solvus ou linha de solubilidade (ou curva) é a linha (ou linhas) em um diagrama de fase que fornece os limites de adição de soluto. Ou seja, as linhas mostram a quantidade máxima de um componente que pode ser adicionado a outro componente e ainda estar em solução sólida . Na estrutura cristalina do sólido, o elemento 'soluto' pode tomar o lugar da matriz dentro da rede (uma posição substitucional; por exemplo, cromo no ferro) ou tomar um lugar em um espaço entre os pontos da rede (uma posição intersticial; por exemplo, carbono no ferro).

Na fabricação microeletrônica, a solubilidade de sólidos se refere à concentração máxima de impurezas que uma pessoa pode colocar no substrato.

Dissolução incongruente

Muitas substâncias se dissolvem congruentemente (ou seja, a composição do sólido e do soluto dissolvido coincidem estequiometricamente). No entanto, algumas substâncias podem se dissolver de forma incongruente , pelo que a composição do soluto em solução não corresponde à do sólido. Esta solubilização é acompanhada pela alteração do "sólido primário" e possivelmente pela formação de uma fase sólida secundária. No entanto, em geral, algum sólido primário também permanece e um equilíbrio de solubilidade complexo se estabelece. Por exemplo, a dissolução da albita pode resultar na formação de gibbsita .

NaAlSi
3
O
8
(s) + H+
+ 7H
2
O ⇌ Na+
+ Al (OH)
3
(s) + 3H
4
SiO
4
.

Neste caso, espera-se que a solubilidade da albita dependa da proporção sólido-solvente. Este tipo de solubilidade é de grande importância em geologia, onde resulta na formação de rochas metamórficas .

Previsão de solubilidade

A solubilidade é uma propriedade de interesse em muitos aspectos da ciência, incluindo, mas não se limitando a: previsões ambientais, bioquímica, farmácia, design de drogas, design agroquímico e ligação de ligante de proteína. A solubilidade aquosa é de interesse fundamental devido às funções biológicas e de transporte vitais desempenhadas pela água. Além disso, a este claro interesse científico na solubilidade em água e efeitos de solventes; previsões precisas de solubilidade são importantes industrialmente. A capacidade de prever com precisão a solubilidade de uma molécula representa uma economia financeira potencialmente grande em muitos processos de desenvolvimento de produtos químicos, como produtos farmacêuticos. Na indústria farmacêutica, as previsões de solubilidade fazem parte do processo de otimização de chumbo de estágio inicial de candidatos a medicamentos. A solubilidade continua sendo uma preocupação em todo o caminho até a formulação. Vários métodos foram aplicados a tais previsões, incluindo relações quantitativas estrutura-atividade (QSAR), relações quantitativas estrutura-propriedade (QSPR) e mineração de dados . Esses modelos fornecem previsões eficientes de solubilidade e representam o padrão atual. A desvantagem de tais modelos é que eles podem carecer de percepção física. Um método fundado na teoria física, capaz de alcançar níveis semelhantes de precisão a um custo razoável, seria uma ferramenta poderosa científica e industrialmente.

Métodos fundamentados na teoria física tendem a usar ciclos termodinâmicos, um conceito da termodinâmica clássica . Os dois ciclos termodinâmicos comuns usados ​​envolvem o cálculo da energia livre de sublimação (sólido para gás sem passar pelo estado líquido) e a energia livre de solvatação de uma molécula gasosa (gás para solução), ou a energia livre de fusão (sólido para uma fase fundida) e a energia livre de mistura (fundido para solução). Esses dois processos são representados nos diagramas a seguir.

Ciclo termodinâmico para cálculo de solvatação via sublimação
Ciclo termodinâmico para cálculo de solvatação por fusão

Esses ciclos têm sido usados ​​para tentativas de previsões de primeiros princípios (resolvendo usando as equações físicas fundamentais) usando modelos de solventes motivados fisicamente , para criar equações paramétricas e modelos QSPR e combinações dos dois. O uso desses ciclos permite o cálculo da energia livre de solvatação indiretamente via gás (no ciclo de sublimação) ou fusão (ciclo de fusão). Isso é útil, pois calcular a energia livre de solvatação diretamente é extremamente difícil. A energia livre de solvatação pode ser convertida em um valor de solubilidade usando várias fórmulas, o caso mais geral sendo mostrado abaixo, onde o numerador é a energia livre de solvatação, R é a constante do gás e T é a temperatura em kelvins .

Equações ajustadas bem conhecidas para predição de solubilidade são as equações gerais de solubilidade. Essas equações derivam do trabalho de Yalkowsky et al . A fórmula original é fornecida primeiro, seguida por uma fórmula revisada que assume uma suposição diferente de miscibilidade completa em octanol. Essas equações são baseadas nos princípios do ciclo de fusão.

Veja também

Notas

Referências

links externos