11.1: O processo de dissolução

Objetivos de

• Descreva as propriedades básicas das soluções e como elas se formam.
• Preveja se uma determinada mistura produzirá uma solução com base nas propriedades moleculares de seus componentes.
• Explique por que algumas soluções produzem ou absorvem calor quando se formam.

Um capítulo anterior deste texto introduziu soluções, definidas como misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Freqüentemente, um componente de uma solução está presente em uma concentração significativamente maior, caso em que é chamado de solvente. Os outros componentes da solução presentes em concentrações relativamente menores são chamados de solutos. O açúcar é um sólido covalente composto por moléculas de sacarose,\(\ce{C12H22O11}\). Quando esse composto se dissolve na água, suas moléculas se distribuem uniformemente entre as moléculas de água:

\[\ce{C12H22O11 (s) ⟶ C12H22O11 (aq) } \label{Eq1} \]

O subscrito “aq” na equação significa que as moléculas de sacarose são solutos e, portanto, estão dispersas individualmente pela solução aquosa (a água é o solvente). Embora as moléculas de sacarose sejam mais pesadas que as de água, elas permanecem dispersas por toda a solução; a gravidade não faz com que elas “se estabilizem” com o tempo.

O dicromato de potássio,\(\ce{K_2Cr_2O_7}\), é um composto iônico composto por íons de potássio incolores e íons dicromato de laranja,\(\ce{Cr_2O_7^{2−}}\).\(\mathrm{K^+}\) Quando uma pequena quantidade de dicromato de potássio sólido é adicionada à água, o composto se dissolve e se dissocia para produzir íons potássio e íons dicromato uniformemente distribuídos por toda a mistura (Figura\(\PageIndex{1}\)), conforme indicado nesta equação:

\[\ce{K2Cr2O7(s) ⟶ 2K^{+} (aq) + Cr2O7^{2-} (aq)} \label{Eq2} \]

Tal como acontece com a mistura de açúcar e água, essa mistura também é uma solução aquosa. Seus solutos, íons potássio e dicromato, permanecem dispersos individualmente entre as moléculas de solvente (água).

Figura\(\PageIndex{1}\): Quando o dicromato de potássio (\(\ce{K_2Cr_2O_7}\)) é misturado com água, ele forma uma solução homogênea de laranja. (crédito: modificação do trabalho de Mark Ott).

A primeira foto mostra um pequeno monte de um sólido cristalino laranja. Há uma seta voltada para a direita. A segunda foto mostra um líquido translúcido e incolor em um recipiente transparente. Há uma seta voltada para a direita. A terceira foto mostra um líquido laranja translúcido em um recipiente transparente e coberto.

A água é usada com tanta frequência como solvente que a palavra solução passou a significar uma solução aquosa para muitas pessoas. No entanto, quase qualquer gás, líquido ou sólido pode atuar como solvente. Muitas ligas são soluções sólidas de um metal dissolvido em outro; por exemplo, moedas americanas de cinco centavos contêm níquel dissolvido em cobre. O ar é uma solução gasosa, uma mistura homogênea de nitrogênio, oxigênio e vários outros gases. O oxigênio (um gás), o álcool (um líquido) e o açúcar (um sólido) se dissolvem em água (um líquido) para formar soluções líquidas. A tabela\(\PageIndex{1}\) fornece exemplos de várias soluções diferentes e as fases dos solutos e solventes.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Diferentes tipos de soluções

Solução	Soluto	Solvente
ar	O (2 g)	N (2 g)
refrigerantes	CO 2 (g)	H 2 (L)
hidrogênio em paládio	H (2 g)	Pd (s)
álcool isopropílico	H 2 (L)	C 3 H 8 O (l) (2-propanol)
Água salgada	NaCl (s)	H 2 (L)
latão	Zn (s)	Taça (s)

As soluções apresentam essas características definidoras:

• Eles são homogêneos; ou seja, depois que uma solução é misturada, ela tem a mesma composição em todos os pontos (sua composição é uniforme).
• O estado físico de uma solução — sólido, líquido ou gasoso — é normalmente o mesmo do solvente, conforme demonstrado pelos exemplos na Tabela\(\PageIndex{1}\).
• Os componentes de uma solução estão dispersos em escala molecular; ou seja, eles consistem em uma mistura de moléculas, átomos e/ou íons separados.
• O soluto dissolvido em uma solução não se sedimentará ou se separará do solvente.
• A composição de uma solução, ou as concentrações de seus componentes, podem variar continuamente, dentro de limites.

A formação de soluções

A formação de uma solução é um exemplo de processo espontâneo, um processo que ocorre sob condições especificadas sem a necessidade de energia de alguma fonte externa. Às vezes, mexemos uma mistura para acelerar o processo de dissolução, mas isso não é necessário; uma solução homogênea se formaria se esperássemos o suficiente. O tópico da espontaneidade é extremamente importante para o estudo da termodinâmica química e é tratado mais detalhadamente em um capítulo posterior deste texto. Para fins da discussão deste capítulo, bastará considerar dois critérios que favorecem, mas não garantem, a formação espontânea de uma solução:

1. uma diminuição na energia interna do sistema (uma mudança exotérmica, conforme discutido no capítulo anterior sobre termoquímica)
2. um aumento na desordem no sistema (o que indica um aumento na entropia do sistema, como você aprenderá no capítulo posterior sobre termodinâmica)

No processo de dissolução, uma mudança interna de energia geralmente, mas nem sempre, ocorre quando o calor é absorvido ou evoluído. Um aumento na desordem sempre ocorre quando uma solução se forma.

Quando as forças intermoleculares de atração entre as espécies de soluto e solvente em uma solução não são diferentes das presentes nos componentes separados, a solução é formada sem nenhuma mudança de energia associada. Essa solução é chamada de solução ideal. Uma mistura de gases ideais (ou gases como hélio e argônio, que se aproximam muito do comportamento ideal) é um exemplo de solução ideal, já que as entidades que compõem esses gases não experimentam atrações intermoleculares significativas.

Quando recipientes de hélio e argônio são conectados, os gases se misturam espontaneamente devido à difusão e formam uma solução (Figura\(\PageIndex{2}\)). A formação dessa solução envolve claramente um aumento na desordem, já que os átomos de hélio e argônio ocupam um volume duas vezes maior do que o que cada um ocupava antes da mistura.

Figura\(\PageIndex{2}\): Amostras de hélio e argônio se misturam espontaneamente para dar uma solução na qual a desordem dos átomos dos dois gases aumenta.

Duas figuras são mostradas. O primeiro contém dois recipientes esféricos unidos por uma torneira fechada. O recipiente à esquerda é rotulado como H e. Ele contém cerca de trinta esferas azuis claras, pequenas e uniformemente dispersas. O recipiente à direita é rotulado como A r e contém cerca de trinta esferas azul-esverdeadas ligeiramente maiores. A segunda figura semelhante tem uma torneira aberta entre os dois recipientes esféricos. As esferas azul claro e verde estão uniformemente dispersas e presentes em ambos os recipientes.

Soluções ideais também podem se formar quando líquidos estruturalmente similares são misturados. Por exemplo, misturas dos álcoois metanol (CH ₃ OH) e etanol (C ₂ H ₅ OH) formam soluções ideais, assim como misturas de hidrocarbonetos pentano e hexano,\(\ce{C6H14}\).\(\ce{C5H12}\) Colocar metanol e etanol, ou pentano e hexano, nas lâmpadas mostradas na Figura\(\PageIndex{2}\) resultará na mesma difusão e subsequente mistura desses líquidos que é observada para os gases He e Ar (embora a uma taxa muito mais lenta), produzindo soluções sem mudança significativa na energia. Ao contrário de uma mistura de gases, no entanto, os componentes dessas soluções líquido-líquido, de fato, experimentam forças de atração intermoleculares. Mas como as moléculas das duas substâncias que estão sendo misturadas são estruturalmente muito semelhantes, as forças de atração intermoleculares entre moléculas semelhantes e diferentes são essencialmente as mesmas, e o processo de dissolução, portanto, não acarreta nenhum aumento ou diminuição apreciável na energia. Esses exemplos ilustram como a difusão sozinha pode fornecer a força motriz necessária para causar a formação espontânea de uma solução. Em alguns casos, no entanto, as magnitudes relativas das forças de atração intermoleculares entre as espécies de soluto e solvente podem impedir a dissolução.

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta representação esquemática da dissolução mostra um processo gradual envolvendo a separação endotérmica de espécies de soluto e solvente (etapas 1 e 2) e solvatação exotérmica (Etapa 3).

A região central superior da figura mostra partículas de soluto como sete esferas azuis e partículas de solvente como 16 esferas vermelhas em caixas separadas e rotuladas. As partículas nessas caixas estão se tocando. Uma seta chamada “Etapa 1” aponta para a esquerda da caixa de soluto e mostra as esferas azuis que não se tocam mais em outra caixa chamada “soluto expandido”. Uma seta chamada “Etapa 2” aponta diretamente da caixa do solvente e mostra as esferas vermelhas que não se tocam mais em outra caixa chamada “solvente expandido”. As setas partem da parte inferior das caixas de soluto expandido e solvente expandido e se unem na parte inferior da figura, onde uma etiqueta da etapa 3 é mostrada. As setas unidas apontam para uma caixa logo acima, na qual as esferas vermelha e azul se misturam e se tocam. As caixas de soluto e solvente são unidas por outra seta chamada “formação direta da solução”, que aponta para baixo no centro da figura. Essa seta também aponta para a caixa contendo esferas vermelhas e azuis mistas perto da parte inferior da figura.

Três tipos de forças atrativas intermoleculares são relevantes para o processo de dissolução: soluto-soluto, solvente-solvente e solvente soluto. Conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{3}\), a formação de uma solução pode ser vista como um processo gradual no qual a energia é consumida para superar as atrações soluto-soluto e solvente-solvente (processos endotérmicos) e liberada quando as atrações soluto-solvente são estabelecidas (um processo exotérmico conhecido como solvatação). As magnitudes relativas das mudanças de energia associadas a esses processos graduais determinam se o processo de dissolução geral liberará ou absorverá energia. Em alguns casos, as soluções não se formam porque a energia necessária para separar as espécies de soluto e solvente é muito maior do que a energia liberada pela solvatação.

Figura\(\PageIndex{4}\): Uma mistura de óleo de cozinha não polar e água polar não produz uma solução. (crédito: Gautam Dogra).

Por exemplo, óleos de cozinha e água não se misturam de forma apreciável para produzir soluções (Figura\(\PageIndex{4}\)). A ligação de hidrogênio é a força atrativa intermolecular dominante presente na água líquida; as moléculas de hidrocarbonetos não polares dos óleos de cozinha não são capazes de se ligar ao hidrogênio, mas sim mantidas unidas por forças de dispersão. A formação de uma solução óleo-água exigiria superar a forte ligação de hidrogênio na água, bem como as forças de dispersão significativamente fortes entre as moléculas de óleo relativamente grandes. E, como as moléculas polares de água e as moléculas de óleo não polares não experimentariam uma atração intermolecular muito forte, muito pouca energia seria liberada pela solvatação.

Por outro lado, uma mistura de etanol e água se misturará em qualquer proporção para produzir uma solução. Nesse caso, ambas as substâncias são capazes de se ligar ao hidrogênio e, portanto, o processo de solvatação é suficientemente exotérmico para compensar as separações endotérmicas das moléculas de soluto e solvente.

Figura\(\PageIndex{5}\): Uma compressa fria instantânea esfria quando certos sais, como o nitrato de amônio, se dissolvem na água — um processo endotérmico.

Esta figura mostra uma compressa fria instantânea de uso único com etiquetas indicando uma bolsa interna de água cercada por partículas brancas de nitrato de amônio.

Conforme observado no início deste módulo, a formação espontânea de soluções é favorecida, mas não garantida, pelos processos de dissolução exotérmica. Enquanto muitos compostos solúveis, de fato, se dissolvem com a liberação de calor, alguns se dissolvem endotermicamente. O nitrato de amônio (NH ₄ NO ₃) é um exemplo e é usado para fazer compressas frias instantâneas para tratar lesões, como a ilustrada na Figura\(\PageIndex{5}\). Um saco plástico de água de paredes finas é selado dentro de um saco maior com NH ₄ NO ₃ sólido. Quando a bolsa menor é quebrada, uma solução de NH ₄ NO ₃ se forma, absorvendo o calor do ambiente (a área lesada na qual a embalagem é aplicada) e fornecendo uma compressa fria que diminui o inchaço. Dissoluções endotérmicas como esta requerem uma maior entrada de energia para separar as espécies de soluto do que é recuperada quando os solutos são solvatados, mas, no entanto, são espontâneas devido ao aumento da desordem que acompanha a formação da solução.

Vídeo\(\PageIndex{1}\): Assista a este breve vídeo que ilustra os processos de dissolução endotérmica e exotérmica.

Resumo

Uma solução se forma quando duas ou mais substâncias se combinam fisicamente para produzir uma mistura homogênea no nível molecular. O solvente é o componente mais concentrado e determina o estado físico da solução. Os solutos são os outros componentes normalmente presentes em concentrações menores que as do solvente. As soluções podem se formar endotermicamente ou exotérmicamente, dependendo das magnitudes relativas das forças de atração intermoleculares do soluto e do solvente. As soluções ideais se formam sem nenhuma mudança significativa na energia.

Notas de pé

1. Se forem observadas bolhas de gás dentro do líquido, a mistura não é homogênea e, portanto, não é uma solução.

Glossário

liga

mistura sólida de um elemento metálico e um ou mais elementos adicionais

solução ideal

solução que se forma sem nenhuma mudança de energia associada

solvatação

processo exotérmico no qual forças de atração intermoleculares entre o soluto e o solvente em uma solução são estabelecidas

processo espontâneo

mudança física ou química que ocorre sem a adição de energia de uma fonte externa