Solubilidade

Solubilidade

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1 - Introdução

A solubilidade de um soluto é a massa do soluto que pode ser dissolvida numa certa quantidade de solvente a uma determinada temperatura. Usualmente, a solubilidade é expressa em gramas de soluto por 100 mL (100 cm³) ou por 100 g de solvente a uma dada temperatura (UCKO, 1992).

A interação entre um soluto e um solvente determina quanto soluto pode se dissolver. Assim, num solvente particular como a água, a natureza do soluto é um fator chave para determinar a solubilidade. Os solutos cujas moléculas são mais fortemente atraídas pelas moléculas de água tendem a se dissolver mais facilmente neste solvente (UCKO, 1992).

Para a maioria dos solutos, existe um limite em relação à quantidade que se pode dissolver num volume fixado de qualquer solvente (REGER et al, 1997). Este limite é denominado coeficiente de solubilidade, e varia dependendo da temperatura.¹ Quando se adiciona um sólido na água, por exemplo, uma parte deste soluto é dissolvida para formar uma solução. Se uma quantidade suficiente de soluto estiver presente, verifica-se que não se dissolve todo o soluto, mas obtém-se uma concentração máxima e constante da solução. A adição de mais soluto não altera a concentração da solução; o sólido adicionado não se dissolve, e se deposita no fundo do recipiente. Nesta situação, diz-se que o sistema chegou ao estado de equilíbrio dinâmico (REGER et al, 1997).

As soluções são classificadas, em termos de quantidade de soluto dissolvido, em insaturadas, saturadas, e supersaturadas - ou sobressaturadas, como menciona REGER (et al, 1997). Soluções insaturadas são soluções nas quais existe soluto dissolvido em menor quantidade do que a quantidade máxima que pode ser dissolvida naquela determinada quantidade de solvente, a uma dada temperatura; uma solução saturada contém a máxima quantidade possível de soluto dissolvido em condições normais numa dada temperatura; uma solução supersaturada contém mais soluto dissolvido do que a quantidade limite de solubilidade do soluto. Este último tipo de solução pode ser obtida através de dois processos: um dos processos consiste em dissolver o soluto no solvente a uma alta temperatura (no caso dos sólidos), e depois resfriar a solução lentamente. Se o resfriamento for feito de modo adequado, o excesso de soluto continuará dissolvido. Outro processo para se obter soluções supersaturadas consiste em preparar uma solução saturada e deixar que parte do solvente evapore. Assim, a quantidade de solvente diminui, aumentando a concentração do soluto, consequentemente. (UCKO, 1992) Quando adiciona-se uma pequena quantidade de soluto puro à uma solução supersaturada, ocorre a rápida precipitação do excesso do soluto, formando um corpo de fundo. A precipitação continua até que a concentração diminua e a solução alcance a condição de equilíbrio (REGER et al, 1997).

Nem todas as substâncias são solúveis (quando houver alguma referência de solubilidade, o solvente referido, neste trabalho, será a água). Alguns compostos são considerados apenas ligeiramente solúveis; outros, por sua vez, se dissolvem em grau tão pequeno que são considerados insolúveis. Por conseguinte, partículas de um composto insolúvel têm maior atração entre si do que entre as moléculas do solvente (UCKO, 1992). A tabela 1, abaixo, apresenta a solubilidade dos compostos. Esta tabela também contém dados sobre as exceções, compostos que fogem à regra de solubilidade dos grupos aos quais pertencem:

Substâncias

Solubilidade

Exceções

Ácidos Orgânicos

Solúveis

 

Permanganatos, Nitritos e Nitratos, Cloratos

Solúveis

 

Sais de Alcalinos e Amônio

Solúveis

carbonato de lítio

Acetatos

Solúveis

de prata

Tiocianatos e Tiossulfatos

Solúveis

de prata, chumbo e mercúrio

Fluoretos

Solúveis

de magnésio, cálcio e estrôncio

Cloretos e Brometos

Solúveis

de prata, chumbo e mercúrio I

Iodetos

Solúveis

mercúrio, bismuto e estanho IV

Sulfatos

Solúveis

de prata, chumbo, bário, e estrôncio

Óxido metálico e Hidróxidos

Insolúveis

de alcalinos, amônio, cálcio, bário e estrôncio

Boratos, Cianetos, Oxalatos, Carbonatos, Ferrocianetos, Ferricianetos, Silicatos, Arsenitos, Arseniatos, Fosfitos, Fosfatos, Sulfitos e Sulfetos

Insolúveis

de alcalinos e de amônio

Tabela 1 – Solubilidade dos compostos, organizados por grupos.¹

Durante o processo de dissolução, ocorre uma diminuição de energia potencial do sistema (REGER et al, 1997). Este processo ocorre de formas diferentes para compostos moleculares e iônicos. Para os compostos moleculares, a dissolução depende das forças de ligação intermoleculares. As substâncias que apresentam ligações do tipo forças de London, que são ligações fracas, costumam se dissolver entre si em qualquer proporção, pois estas forças fazem com que as moléculas se atraiam entre si. Assim, há uma pequena variação na energia de atrações, que é a energia que controla o processo de dissolução. Já as substâncias moleculares que apresentam ligações intermoleculares do tipo pontes de hidrogênio, que são ligações muito fortes, precisam de muito mais energia para serem quebradas, e por isso, compostos ligados por forças de London não são capazes de dissolver tais substâncias, porque a energia liberada quando as moléculas de uma e de outra substância se atraem e não é suficiente para quebrar estas ligações (REGER et al, 1997). Quando se trata de compostos iônicos, o processo de dissolução se dá pela variação de entalpia. Para que o composto seja solúvel, a entalpia de atração entre os íons no sólido tem que ser comparável à entalpia das atrações entre as moléculas do solvente e os íons na solução (REGER et al, 1997). A água é o solvente mais usado para dissolver compostos iônicos (REGER et al, 1997). Em solução, as moléculas polares da água são atraídas pelas cargas dos íons. Várias moléculas de água são atraídas pelas cargas dos íons; os cátions atraem a extremidade negativa das moléculas do dipolo da água, enquanto que as extremidades positivas são atraídas pelos ânions. Este processo, pelo qual os íons são rodeados de moléculas de solvente é chamado de hidratação, e pode ser melhor entendido pelas figuras 1.1, 1.2, 1.3 e 1.4, abaixo.

Fig. 1.1 – Molécula de água, com indicação do dipolo (lado positivo e lado negativo).¹

Fig. 1.2 – Molécula de NaCl, um exemplo de composto iônico, com indicação do cátion e do ânion.¹

Fig. 1.3 – Processo de hidratação dos íons em solução.¹

Fig. 1.4 – Hidratação completa dos íons, indicando a atração entre os íons e as moléculas de água pela diferença de carga.¹

Existem vários fatores que influenciam na solubilidade de uma substância. Entre eles, está a temperatura, um dos fatores mais relevantes.A solubilidade da maioria dos sólidos nos líquidos aumenta com a temperatura (UCKO, 1992). De forma inversa, ocorre com quase todos os gases: quanto maior a temperatura, menor a solubilidade de um gás em meio líquido. Isto porque, na fase gasosa, praticamente não existem atração entre as moléculas. Porém, existe atração entre as moléculas do gás e do solvente (REGER et al, 1997). Portanto, quando o solvente vai atingindo a fase gasosa, a atração entre as moléculas do gás e do solvente também diminui, gradativamente. Isto pode ser observado quando se aquece água da torneira em uma chaleira, por exemplo; quanto mais se aquece a água, mais oxigênio se desprende.

Para os sólidos, o mecanismo é contrário. No estado sólido, a atração entre as moléculas do soluto é muito forte. À medida que a temperatura aumenta, a substância tende a entrar em processo de fusão, diminuindo a atração entre as suas moléculas e facilitando a atração entre as moléculas do solvente e do soluto.

A solubilidade entre líquidos é chamada de miscibilidade. Líquidosque se misturam entre si são chamados de miscíveis. Geralmente, líquidos miscíveis têm estruturas moleculares semelhantes, como exemplo da água e o álcool etílico. Ambos possuem moléculas polares e que se atraem mutuamente, pois são capazes de formar pontes de hidrogênio entre si. Portanto, este dois líquidos se misturam rapidamente e são miscíveis. Por outro lado, a água e a gasolina são imiscíveis, pois possuem estruturas muito diferentes; a gasolina é não polar e, portanto, não se mistura com a água, que é polar. (UCKO, 1992)

Os líquidos imiscíveis se dispõem em camadas de acordo com sua densidade (UCKO, 1992). As substâncias de menor densidade se dispõem em camadas sobre as substâncias mais densas. Este fato pode ser observado em óleos bifásicos e trifásicos, usados como hidratantes para a pele, na indústria de cosméticos. O óleo mais denso se deposita em uma camada no fundo, enquanto que o menos denso forma uma camada superficial, e caso exista uma substância com densidade intermediária em relação às outras duas existentes no sistema, esta forma uma camada no meio. A imiscibilidade dos líquidos também tem aplicação em abajures vendidos como objeto de decoração, como os mostrados na figura 2:

Fig. 2 – Abajures de “lava”, vendidos como objetos de decoração, baseados em princípios de solubilidade.

Neste tipo de objeto, as “gotas” deste óleo colorido não se misturam com a água à sua volta. Quando a “gota” está na superfície do líquido, ela esfria, e isso aumenta sua densidade, fazendo com que a gota desça para o fundo. Ao chegar ao fundo, a “gota” é aquecida pela luz, e assim, sua densidade diminui, fazendo com que a “gota” suba e permaneça em constante movimento de subida e descida dentro do abajur, dando o aspecto decorativo.

Quanto à miscibilidade entre as substâncias, as aplicações são inúmeras, e vão desde a capacidade de transporte de oxigênio pelo sangue, possibilitando, assim, a existência de vida humana e animal, até atividades triviais do dia-a-dia, como a preparação de um chá ou suco.

2 – Objetivos

Observar a miscibilidade entre diferentes substâncias, sabendo diferenciar a natureza de cada substância a partir da solubilidade.

3 – Procedimento Experimental

a) Materiais utilizados

- Tubos de ensaio;

- Pipetas;

- Pêra;

- Rolhas;

- Água (H2O);

- Etanol (C2H6);

- 1 – Butanol (C4H9OH)

- Querosene;

- Solução de iodo;

- Estante para tubos de ensaio.

b) Procedimento

O procedimento foi realizado em duas etapas; a primeira foi direcionada à miscibilidade de líquidos, enquanto a segunda, direcionada à realização de extração de uma substância a partir da miscibilidade.

Primeiramente, foram separados seis tubos de ensaio, e cada um deles foi numerado, de 1 a 6. Após, utilizando-se pipetas e peras para pipetar, foram adicionados diferentes líquidos nos tubos, sendo dois líquidos diferentes em cada um deles.

No tubo 1, adicionou-se aproximadamente 5 mL de água e 3 mL de etanol. Em seguida, o tubo foi tampado com uma rolha e seu conteúdo agitado.

No tubo 2, adicionou-se aproximadamente 5 mL de água e 3 mL de 1-butanol. O tubo foi tampado com uma rolha e seu conteúdo foi agitado.

No tubo 3, foram adicionados, aproximadamente, 5 mL de água e 3 mL de querosene, tampando-se, em seguida, o tubo com uma rolha e agitando-se o conteúdo do tubo.

No tubo 4, adicionou-se aproximadamente 5 mL de etanol e 3 mL de 1-butanol, tampando-se o tubo em seguida, com uma rolha, e agitando-se o seu conteúdo.

No tubo 5, foram adicionados, aproximadamente, 5 mL de etanol e 3mL de querosene. Em seguida, o tubo foi tampado com uma rolha, e o seu conteúdo foi agitado.

No tubo 6, foram adicionados, aproximadamente, 5 mL de 1-butanol e 3 mL de querosene. O tubo foi tampado com uma rolha, e o conteúdo do tubo foi agitado.

Na segunda etapa, em um tubo de ensaio, foi adicionada uma pequena quantidade de solução de iodo, e em seguida, adicionada também uma pequena quantidade de querosene. Foram observadas as características do sistema. Após, o conteúdo do tubo foi agitado, e novamente as características do sistema foram observadas, comparando-se as características finais e iniciais.

4 – Resultados e Discussão

As características observadas na primeira parte do experimento foram as seguintes, apresentadas na tabela a seguir:

Tubo

Líquidos Adicionados

Características

Miscibilidade

1

água + etanol

Dois líquidos inicialmente incolores, ao serem agitados, se misturam completamente, formando uma mistura homogênea e um único líquido, também incolor

Sim

2

água + 1-butanol

Dois líquidos inicialmente incolores, ao serem agitados, misturam-se parcialmente, formando, ainda assim, uma mistura heterogênea bifásica, sendo possível visualizar dois líquidos incolores.

Parcial, muito pequena.

3

água + querosene

Dois líquidos, um deles incolores (água) e outro levemente amarelado (querosene), ao serem agitados, não se misturam, permanecendo como um sistema heterogêneo bifásico.

Não

4

etanol + 1-butanol

Dois líquidos incolores, ao serem agitados, se misturam completamente, formando um sistema homogêneo.

Sim

5

etanol + querosene

Dois líquidos, um deles incolor (etanol) e o outro levemente amarelado (querosene), ao serem agitados, não se misturam entre si, formando um sistema heterogêneo bifásico.

Não

6

1-butanol + querosene

Dois líquidos, um deles incolor (1-butanol) e outro levemente amarelado (querosene), ao serem agitados, se misturam formando um sistema homogêneo.

Sim

A mistura do tubo 1 é solúvel devido à polaridade das substâncias. A água é uma substância polar; já o etanol possui, em sua molécula, uma parte polar e uma apolar. A cadeia carbônica consiste na parte apolar, enquanto a hidroxila constitui a parte polar da molécula. Assim, como a cadeia carbônica é curta, quando misturado à água, o etanol se comporta como uma substância polar, e por isso se dissolve completamente.

A mistura do tubo 2 é parcialmente solúvel, com uma pequena taxa de solubilidade também pela estrutura da molécula de 1-butanol. Da mesma forma que o etanol, o 1-butanol possui uma parte polar, constituída pela hidroxila, e uma parte apolar, constituída pela cadeia carbônica. Porém, como o 1-butanol possui uma cadeia carbônica maior, formada por 4 carbonos, a parte apolar é dominante, e por isso, a solubilidade em água é muito pequena.

A mistura do tubo 3 é insolúvel porque a querosene é uma mistura de hidrocarbonetos de cadeias longas (alifáticos, naftalênicos e aromáticos), e, portanto, sendo hidrocarbonetos, são todos compostos apolares. Por isso, a miscibilidade entre a água e a querosene é nula.

A mistura do tubo 4 é solúvel devido à polaridade das substâncias, mas de uma forma um pouco diferente. Como ambas as moléculas possuem uma parte apolar e uma parte polar, a atração que ocorre entre elas é entre as partes polares e as partes apolares. A parte polar atrai a parte polar, enquanto a parte apolar atrai a parte apolar, miscibilizando as duas substâncias.

A mistura do tubo 5 é insolúvel porque, como a querosene é uma mistura de substâncias apolares, ao ser misturada ao etanol, que se comporta como uma substância polar, não se dissolve, pela diferença de polaridade entre as substâncias.

A mistura do tubo 6 é solúvel devido ao comportamento apolar do 1-butanol, mesmo possuindo uma pequena parte polar. Assim, misturando-se as substâncias apolares, ambas se miscibilizam, formando uma mistura homogênea.

Na segunda parte do experimento, o que pode ser observado foi que, inicialmente, havia dois líquidos imiscíveis, um deles sendo a solução de iodo, de cor castanho-avermelhada, e o outro sendo a querosene, um líquido levemente amarelado. Após agitar-se a mistura, observou-se que havia ainda dois líquidos imiscíveis, porém, um deles de cor rósea forte, e o outro de cor levemente castanha.

Este fenômeno ocorreu por que o iodo, sendo uma molécula formada por dois átomos iguais, é a polar, e, portanto, não é solúvel em água, que é polar. Porém, é possível preparar uma solução aquosa de iodo na presença de algum iodeto (geralmente iodeto de potássio, que é solúvel em água). Então, ao agitar-se a mistura, a querosene, que possui polaridade semelhante à do iodo, extrai o iodo da solução aquosa, formando o líquido de cor rósea forte.

5 – Conclusões

A partir deste experimento, foi possível concluir que algumas substâncias são solúveis entre si, enquanto outras substâncias são insolúveis. A solubilidade entre as substâncias depende da polaridade das substâncias envolvidas, bem como da temperatura do sistema.

Baseando-se em princípios de solubilidade, pode-se separar substâncias ou até mesmo criar novas tecnologias.

6 – Exercícios Propostos

1 – Escreva as definições dos termos químicos:

a) miscível: líquido que apresenta capacidade de se dissolver em outro líquido.

b) imiscível: líquido que não apresenta capacidade de se dissolver em outro líquido.

c) extração: processo de separação de misturas baseado na miscibilidade entre líquidos. Um líquido dissolve uma substância que estava dissolvida em outro líquido, se este tiver maior atração molecular com o soluto do que o líquido em que o soluto estava dissolvido.

d) soluto: substância que está dissolvida em outra, geralmente um sólido, ao estar dissolvido em um líquido. Quando as misturas são apenas entre líquidos ou apenas entre sólidos, é considerado como soluto a substância que se apresenta em menor quantidade.

e) solvente: substância que tem a capacidade de dissolver outra substância. Geralmente, trata-se de um líquido, ao formar uma solução com um sólido. Em casos de misturas apenas entre líquidos ou apenas entre sólidos, é considerado como solvente aquela substância que se encontrar em maior quantidade.

f) solução: mistura de duas ou mais substâncias que formam um sistema homogêneo, ou seja, um sistema onde existe um soluto e um solvente, e o soluto está totalmente disperso, dissolvido no solvente.

g) ligação covalente polar: são ligações covalentes entre átomos que possuem diferentes eletronegatividades.

h) ligação covalente não-polar: são ligações covalentes entre átomos que possuem igual eletronegatividade.

i) eletronegatividade: é a tendência que um átomo apresenta a atrair elétrons.

j) molécula polar: molécula cuja estrutura faz com que haja uma heterogeneidade entre as nuvens eletrônicas, e fazendo que a maior nuvem esteja deslocada para uma das extremidades da molécula, e a menor esteja na extremidade oposta.

k) molécula não-polar: molécula cuja estrutura faz com que exista uma homogeneidade entre as nuvens eletrônicas, e fazendo com que estas estejam deslocadas, ou para o centro, ou para as extremidades, de forma muito semelhante.

2 – Usando os valores de eletronegatividades, classifique as ligações entre as moléculas abaixo como covalente não polar, covalente polar ou iônica.

a) O2: covalente não–polar.

3,4 – 3,4 = 0

b) CO: covalente polar.

3,4 – 2,6 = 0,8

c) Cl2O: covalente não-polar.

3,2 – 3,4 = 0,2

d) Br2: covalente não-polar.

3,0 – 3,0 = 0

e) NaF: iônica

4,0 – 0,93 = 3,07

f) BaO: iônica

3,4 – 0,89 = 2,51

g) BeH2: covalente polar

2,2 - 1,6 = 0,6

h) KI: iônica

2,7 – 0,82 = 1,88

i) NH3: covalente polar

3,0 – 2,2 = 0,8

j) CH4: covalente não-polar

2,6 – 2,2 = 0,4

3 – Destaque os compostos que você acredita que sejam solúveis em água. Justifique sua resposta.

a) NaCl

Solúvel, pois é um composto polar, assim como a água.

b) Br2

Insolúvel, pois sendo formado por dois átomos iguais, é um composto apolar, e não se dissolve na água, que é polar.

c) Etanol

Solúvel, pois possui uma pequena parte apolar e outra pequena parte polar, comportando-se com um composto polar, e, portanto, dissolvendo-se na água.

d) Metano

Insolúvel, pois o metano é um composto apolar, no qual a nuvem eletrônica se encontra direcionada para o centro da molécula.

4 – Coloque em ordem decrescente de polaridade os quatro líquidos utilizados nesta experiência começando pela água que é o mais polar.

1º - água;

2º - etanol;

3º - 1-butanol;

4º - querosene.

5 – 2 mL de água são adicionados a 2 mL de um outro líquido formando um par imiscível. O que você pode fazer experimentalmente para descobrir se a água constitui a fase inferior ou a superior?

Pode-se tentar dissolver um composto polar nos dois líquidos. O líquido no qual o composto se dissolver será a água.

6 – Qual é a cor da solução de iodo e água?

Castanho.

7 – O que você observou depois de agitar a solução de iodo e a água com querosene?

Observou-se que a querosene extrai o iodo da solução aquosa, e passa a formar uma solução com o iodo.

8 – O iodo é mais solúvel em água ou em querosene?

Mais solúvel em querosene.

9 – Que evidência você utilizou para a sua resposta na questão anterior?

A estrutura molecular dos compostos. A molécula de iodo é formada por dois átomos iguais, sendo, portanto, apolar. Já a querosene é formada por uma mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias apolares.

10 - Explique sua resposta a questão 08 em termos das polaridades relativas do iodo, querosene e água.

Tanto o iodo quanto a querosene possuem a mesma polaridade, sendo os dois apolares. A água é um composto polar. Como substâncias de mesma polaridade se dissolvem, o iodo se dissolve melhor em querosene do que em água.

7 – Referências

UCKO, David A. Química Para as Ciências da Saúde – Uma introdução à química geral, inorgânica e biológica. Tradução de José Roberto Giglio. 2ed. São Paulo: Manole, 1992.

REGER,D.; SCOTT, G.; MERCER, E. Química: Princípios e Aplicações. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1997.

¹ Coeficiente de solubilidade e solvatação dos sais. Disponível em http://educacao.uol.com.br/quimica/ult1707u20.jhtm, acesso em 22/07/09.

² Lava de Óleo e Sal. Disponível em http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?midia=epc&cod=_lavadeoleoesal, aceso em 28/07/09.

Propriedades Físicas e Químicas dos Compostos Orgânicos. Disponível em http://74.125.47.132/search?q=cache:qglLElLjyqEJ:pessoal.educacional.com.br/up/50280001/4000155/Propriedade%2520f%C3%ADsicas%2520e%2520qu%C3%ADmicas%2520dos%2520compostos%2520org%C3%A2nicos.ppt+1-butanol+polar+apolar&cd=2&hl=pt-BR&ct=clnk&gl=br, acesso em 29/07/09.

Querosene. Disponível em http://www.brasilescola.com/geografia/querosene.htm, acesso em 29/07/09.

Polaridade das Moléculas – Ligações Intermoleculares. Disponível em http://www.fisica.net/quimica/resumo5.htm, acesso em 29/07/09.

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