Equilibri de solubilidad

Solubilización de la sal comuna (NaCl) en aigua

Equilibri de solubilidad és l'estat que alcança una solució saturada que la velocitat a la que el solut retorna al seu estat original (sòlit, líquit o gas) iguala a la velocitat a la qual es dissol, de manera que, una volta alcançat este estat, la massa de solut en el sí de la dissolució permaneix constant, és dir, la concentració de solut de la dissolució ya no canvia. Cada solució alcança dit equilibri a una concentració determinada que depén de la naturalea del solut i del dissolvent, de la temperatura ambiental i en el cas de la dissolució de gasos en líquits, de la pressió externa del gas. El seu tractament matemàtic és com el de qualsevol equilibri químic i com estos, es rig per una constant d'equilibri, denominada constant de solubilidad. Les substàncies sòlides que es dissolen poden ser un sòlit orgànic com el sucre o un sòlit iònic com la ix de taula. La principal diferència és que els sòlits iònics es disocian en els seus ions constituents, quan es dissolen en aigua. La major part de les voltes, l'aigua és el dissolvent d'interés, encara que els mateixos principis bàsics són aplicables a qualsevol dissolvent.

Composts sòlits no iònics

Si un solut es dissol en forma de molècules neutres (dissolució molecular), l'equilibri d'una dissolució saturada pot descriure's com qualsevol atre equilibri químic, solament que en este cas sol hi haurà dos térmens, la substància en excés i la substància dissolta. Para, per eixemple, un compost orgànic no ionizable com el sucre comú (sacarosa), sòlit a temperatura i pressió ambiente, l'equilibri despuix de la saturació es pot expressar com:

$\mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}(\mathrm{s})\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Una expressió de l'equilibri per a esta reacció pot ser escrita, com para qualsevol reacció química (productes dividit pels reactius):

$K=\frac{a_{C_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(aq)}{a_{C_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(s)}$

a on K es denomina constant d'equilibri (o constant de solubilidad), que és funció de la activitat de les espècies involucrades en l'equilibri. L'activitat d'un sòlit pur és, per definició, l'unitat. Si l'activitat de la substància en dissolució és constant (és dir, no afectada per qualssevol atres soluts que puguen estar presents) es pot reemplaçar per la concentració, encara que ometent les dimensions de les mides de concentració utilisades. Les activitats són cantitats adimensionales que s'obtenen dividint la mida de la concentració per un estàndart de concentració distinta de zero.

$K_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}}=\left[{\mathrm{C}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{22}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{11}}\right]\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}$

Els corchetes signifiquen la concentració molar, que es denominada molaridad i l'unitat de la qual se sol indicar en M o be mol/L.

Esta expressió senyala que l'aigua en equilibri en sucre sòlit conté una concentració igual a K. Per al sucre de taula (sacarosa) a 25 °C, K = 1,971 quan la concentració estàndar es pren com 1 mol/L. (Esta solució és molt concentrada, la sacarosa és molt soluble en aigua.). Esta és la màxima cantitat de sucre que pot dissoldre's a 25 °C, la solució està "saturada". Si la concentració és inferior a la saturació, pot dissoldre's més cantitat de sucre fins que la solució alcança la saturació, o fins a tot el sòlit s'haja consumit. Si hi ha més cantitat de sucre present que la permesa per l'expressió de la constant de solubilidad, llavors la dissolució està "sobresaturada" i sòlit precipitarà fins que s'alcance la concentració de saturació. Este procés pot ser llent, l'expressió de la constant d'equilibri descriu les concentracions quan el sistema d'alcanç l'equilibri, no lo ràpit que s'aplega al mateix.

D'igual manera es procedix per a substàncies poc solubles. Siga, per eixemple, el cas del clorur de mercuri(II), HgCl₂, una substància, que encara que iònica, a penes es disocia en l'aigua, per lo que l'equilibri de solubilidad pot expressar-se com si d'una dissolució molecular es tractara:

$\mathrm{H}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2(\mathrm{a}\mathrm{q})$

per lo que els seus constant de solubilidad és, aproximadament, el seu solubilidad molar. Açò, a 25 °C és:

$K_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}}=[HgC{l}_2](aq)=0,25$

Estes expressions de la constant de solubilidad indiquen que una volta que s'ha alcançat la saturació i per tant, l'equilibri, la concentració de solut es manté constant en el sí de la dissolució.

Composts sòlits iònics disociables

La majoria dels composts iònics, quan es dissolen en aigua, o en atres dissolvents polars, passen per un procés de dissociació, en el qual les substància iònica se separen en els seus respectius ions, els quals passen a formar part del dissolvent, per lo que este tipo de substàncies reben el nom d'electròlits.

$\mathrm{A}\mathrm{B}⟶\mathrm{A}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{B}{\phantom{A}}^{-}$

La dissociació del compost en els seus ions serà total mentres no s'alcance la saturació. Una volta que esta s'alcança, o se sobrepassa, com en el cas de les dissolució moleculars, s'establix un equilibri entre la fase sòlida del solut i la part dissolta:

$\mathrm{A}\mathrm{B}(\mathrm{s})\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{A}{\phantom{A}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{B}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

I com tots els equilibris químics, també pot representar-se matemàticament com una relació entre les activitats dels productes i els reactius:

$K=\frac{a_{A^{+}}\cdot a_{B^{-}}}{a_{AB}}$

ya que el compost no disociado, AB, es troba en estat sòlit, la seua activitat o concentració efectiva es considera igual a 1, per lo que pot ser eliminat de l'expressió.

$K=a_{A^{+}}\cdot a_{B^{-}}$

És dir, en els composts iònics capaços de disociarse en dissoldre's, la constant d'equilibri és igual al producte de les activitats de les espècies disociadas, per lo que comunament es coneix com producte de solubilidad, Kps.

El valor de la constant d'equilibri és diferent per a cada electrolito, podent prendre valors relativament grans en alguns casos, mentres que en uns atres, el seu valor és molt menut, lo que indica que hi ha electròlits molt solubles, que reben el nom de electròlits forts (p. i. NaCl, CuSO₄, HCl, etc.) i uns atres, que a penes es dissolen en cantitats milimolares o menoress, per lo que reben el nom de electròlits dèbils (p. i. AgCl, BASE₄, etc.). Donada la baixa solubilidad d'estos últims, la concentració de ions que es troben en el dissolvent és molt menuda, per lo que en estos casos, la "concentració efectiva" (activitat) és pràcticament igual a la concentració real, en lo que l'expressió matemàtica de la constant d'equilibri pot escriure's com:

$K_{ps}=[A^{+}]\cdot [B^{-}]$

És important notar que, d'acort en esta equació i l'anterior expressada en activitats, una volta que s'alcança l'equilibri de saturació, la concentració de les espècies iòniques es manté constant, independentment de la cantitat de AB, mentres hi haja una miqueta de sòlit present en la dissolució. En atres paraules, no importa si la cantitat de sòlit en excés és d'uns quants miligrams o de varis grams.