11.4: Solubilidade

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva os efeitos da temperatura e da pressão na solubilidade
• Declare a lei de Henry e use-a em cálculos envolvendo a solubilidade de um gás em um líquido
• Explicar os graus de solubilidade possíveis para soluções líquido-líquido

Imagine adicionar uma pequena quantidade de açúcar a um copo de água, mexendo até que todo o açúcar se dissolva e depois adicionando um pouco mais. Você pode repetir esse processo até que a concentração de açúcar da solução atinja seu limite natural, um limite determinado principalmente pelas forças de atração de soluto soluto, solvente soluto e solvente-solvente discutidas nos dois módulos anteriores deste capítulo. Você pode ter certeza de que atingiu esse limite porque, não importa quanto tempo você mexa a solução, o açúcar não dissolvido permanece. A concentração de açúcar na solução neste momento é conhecida como solubilidade.

A solubilidade de um soluto em um determinado solvente é a concentração máxima que pode ser alcançada sob determinadas condições quando o processo de dissolução está em equilíbrio.

Quando a concentração de um soluto é igual à sua solubilidade, diz-se que a solução está saturada com esse soluto. Se a concentração do soluto for menor que sua solubilidade, diz-se que a solução é insaturada. Uma solução que contém uma concentração relativamente baixa de soluto é chamada diluída, e uma com uma concentração relativamente alta é chamada concentrada.

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Use essa simulação interativa para preparar várias soluções saturadas.

Podem ser preparadas soluções nas quais uma concentração de soluto excede sua solubilidade. Diz-se que essas soluções são supersaturadas e são exemplos interessantes de estados de não equilíbrio (um tratamento detalhado desse importante conceito é fornecido nos capítulos de texto sobre equilíbrio). Por exemplo, a bebida carbonatada em um recipiente aberto que ainda não “ficou plana” é supersaturada com gás dióxido de carbono; com o tempo, a concentração de CO ₂ diminuirá até atingir sua solubilidade.

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Assista a este vídeo impressionante que mostra a precipitação do acetato de sódio a partir de uma solução supersaturada.

Soluções de gases em líquidos

Como em qualquer solução, a solubilidade de um gás em um líquido é afetada pelas forças de atração intermoleculares entre as espécies de soluto e solvente. Ao contrário dos solutos sólidos e líquidos, no entanto, não há atração intermolecular soluto-soluto a ser superada quando um soluto gasoso se dissolve em um solvente líquido (veja a Figura 11.4), pois os átomos ou moléculas que compõem um gás estão muito separados e experimentam interações insignificantes. Consequentemente, as interações soluto-solvente são o único fator energético que afeta a solubilidade. Por exemplo, a solubilidade em água do oxigênio é aproximadamente três vezes maior do que a do hélio (há maiores forças de dispersão entre a água e as moléculas de oxigênio maiores), mas 100 vezes menor do que a solubilidade do clorometano, CHCl ₃ (moléculas polares de clorometano experimentam dipolo— atração dipolar por moléculas de água polar). Da mesma forma, observe que a solubilidade do oxigênio em hexano, C ₆ H ₁₄, é aproximadamente 20 vezes maior do que na água porque existem maiores forças de dispersão entre o oxigênio e as moléculas maiores de hexano.

A temperatura é outro fator que afeta a solubilidade, com a solubilidade do gás normalmente diminuindo à medida que a temperatura aumenta (Figura 11.8). Essa relação inversa entre temperatura e concentração de gás dissolvido é responsável por um dos principais impactos da poluição térmica nas águas naturais.

Figura 11.8 As solubilidades desses gases na água diminuem à medida que a temperatura aumenta. Todas as solubilidades foram medidas com uma pressão constante de 101,3 kPa (1 atm) de gás acima das soluções.

Quando a temperatura de um rio, lago ou riacho aumenta, a solubilidade do oxigênio na água diminui. A diminuição dos níveis de oxigênio dissolvido pode ter consequências graves para a saúde dos ecossistemas da água e, em casos graves, pode resultar na morte de peixes em grande escala (Figura 11.9).

Figura 11.9 (a) As pequenas bolhas de ar neste copo de água gelada se formaram quando a água atingiu a temperatura ambiente e a solubilidade do ar dissolvido diminuiu. (b) A diminuição da solubilidade do oxigênio em águas naturais sujeitas à poluição térmica pode resultar na morte de peixes em grande escala. (crédito a: modificação do trabalho de Liz West; crédito b: modificação do trabalho pelo Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA)

A solubilidade de um soluto gasoso também é afetada pela pressão parcial do soluto no gás ao qual a solução está exposta. A solubilidade do gás aumenta à medida que a pressão do gás aumenta. As bebidas carbonatadas fornecem uma boa ilustração dessa relação. O processo de carbonatação envolve expor a bebida a uma pressão relativamente alta de gás dióxido de carbono e, em seguida, selar o recipiente da bebida, saturando a bebida com CO ₂ nessa pressão. Quando o recipiente da bebida é aberto, um chiado familiar é ouvido quando a pressão do gás dióxido de carbono é liberada, e parte do dióxido de carbono dissolvido normalmente é vista saindo da solução na forma de pequenas bolhas (Figura 11.10). Nesse ponto, a bebida é supersaturada com dióxido de carbono e, com o tempo, a concentração de dióxido de carbono dissolvido diminuirá para seu valor de equilíbrio e a bebida ficará “plana”.

Figura 11.10 A abertura da garrafa de bebida carbonatada reduz a pressão do dióxido de carbono gasoso acima da bebida. A solubilidade do CO ₂ é assim reduzida, e algum dióxido de carbono dissolvido pode ser visto saindo da solução como pequenas bolhas de gás. (crédito: modificação da obra de Derrick Coetzee)

Para muitos solutos gasosos, a relação entre solubilidade, C _g e pressão parcial, P _g, é proporcional:

$$C_{\text{g}}=k{P}_{\text{g}}$$

onde k é uma constante de proporcionalidade que depende da identidade do soluto gasoso, da identidade do solvente e da temperatura da solução. Esta é uma declaração matemática da lei de Henry: A quantidade de um gás ideal que se dissolve em um volume definido de líquido é diretamente proporcional à pressão do gás.

Exemplo 11.1

Aplicação da Lei de Henry

A 20 °C, a concentração de oxigênio dissolvido na água exposta ao oxigênio gasoso a uma pressão parcial de 101,3 kPa é 1,38$\times$10 ⁻³ mol L ⁻¹. Use a lei de Henry para determinar a solubilidade do oxigênio quando sua pressão parcial é de 20,7 kPa, a pressão aproximada do oxigênio na atmosfera terrestre.

Solução

De acordo com a lei de Henry, para uma solução ideal, a solubilidade, C _g, de um gás (1,38)$\times$10 ⁻³ mol L ⁻¹, neste caso) é diretamente proporcional à pressão, P _g, do gás não dissolvido acima da solução (101,3 kPa neste caso). Como tanto C _g quanto P _g são conhecidos, essa relação pode ser rearranjada e usada para resolver k.

$$\begin{array}{ccc}\hfill C_{\text{g}}& =& k{P}_{\text{g}}\hfill \\ \hfill k& =& \frac{C_{\text{g}}}{P_{\text{g}}}\hfill \\ & =& \frac{\mathrm{1,38}\times {10}^{\mathrm{-3}}\text{toupeira}{\text{L}}^{\mathrm{-1}}}{\mathrm{101,3}\text{KPa}}\hfill \\ & =& \mathrm{1,36}\times {10}^{\mathrm{-5}}\text{toupeira}{\text{L}}^{\mathrm{-1}}{\text{KPa}}^{\mathrm{-1}}\hfill \end{array}$$

Agora, use k para encontrar a solubilidade na pressão mais baixa.

$$\begin{array}{cccc}& \hfill C_{\text{g}}& =& k{P}_{\text{g}}\hfill \\ & & & \mathrm{1,36}\times {10}^{\mathrm{-5}}\text{toupeira}{\text{L}}^{\mathrm{-1}}{\text{KPa}}^{\mathrm{-1}}\times \mathrm{20,7}\text{KPa}\hfill \\ & & =& \mathrm{2,82}\times {10}^{\mathrm{-4}}\text{toupeira}{\text{L}}^{\mathrm{-1}}\hfill \end{array}$$

Observe que várias unidades podem ser usadas para expressar as quantidades envolvidas nesses tipos de cálculos. Qualquer combinação de unidades que atenda às restrições da análise dimensional é aceitável.

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A exposição de uma amostra de 100,0 mL de água a 0 °C a uma atmosfera contendo um soluto gasoso a 152 torr resultou na dissolução de 1,45$\times$10 ⁻³ g do soluto. Use a lei de Henry para determinar a solubilidade desse soluto gasoso quando sua pressão é de 760 torr.

Resposta:

7.25$\times$10 ⁻³ em 100,0 mL ou 0,0725 g/L

Exemplo 11.2

Poluição térmica e solubilidade em oxigênio

Uma certa espécie de truta de água doce requer uma concentração de oxigênio dissolvido de 7,5 mg/L. Esses peixes poderiam prosperar em um riacho de montanha termicamente poluído (a temperatura da água é de 30,0° C, a pressão parcial do oxigênio atmosférico é de 0,17 atm)? Use os dados na Figura 11.8 para estimar um valor para a constante da lei de Henry nessa temperatura.

Solução

Primeiro, estime a constante da lei de Henry para oxigênio na água à temperatura especificada de 30,0 °C (a Figura 11.8 indica que a solubilidade nessa temperatura é de aproximadamente ~1,2 mol/L).

$$k=\frac{C_{\text{g}}}{P_{\text{g}}}=1.2\times {10}^{\mathrm{-3}}\text{mol/L/1,00 atm}=1.2\times {10}^{\mathrm{-3}}\text{mol/L atm}$$

Em seguida, use esse valor k para calcular a solubilidade de oxigênio na pressão parcial de oxigênio especificada, 0,17 atm.

$$C_g={kP}_g=(1.2\times {10}^{\mathrm{-3}}\text{mol/L atm})(\mathrm{0,17}\text{caixa eletrônico})=2.0\times {10}^{\mathrm{-4}}\text{mol/L}$$

Finalmente, converta essa concentração de oxigênio dissolvido de mol/L para mg/L.

$$(2.0\times {10}^{\mathrm{-4}}\text{mol/L})(\mathrm{32,0}\text{g/1 mol})(1000\text{mg/g})=6.4\text{mg/L}.$$

Essa concentração é menor do que o valor mínimo exigido de 7,5 mg/L e, portanto, essas trutas provavelmente não prosperariam no fluxo poluído.

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Qual concentração de oxigênio dissolvido é esperada para o fluxo acima quando ele retorna a uma temperatura normal de 15° C no verão?

Resposta:

8,2 mg/L

Química na vida cotidiana

Doença descompressiva ou “The Bends”

A doença descompressiva (DCS), ou “curvas”, é um efeito do aumento da pressão do ar inalado pelos mergulhadores ao nadar debaixo d'água em profundidades consideráveis. Além da pressão exercida pela atmosfera, os mergulhadores são submetidos a pressões adicionais devido à água acima deles, experimentando um aumento de aproximadamente 1 atm para cada 10 m de profundidade. Portanto, o ar inalado por um mergulhador enquanto submerso contém gases na pressão ambiente correspondente, e as concentrações dos gases dissolvidos no sangue do mergulhador são proporcionalmente maiores de acordo com a lei de Henry.

Conforme o mergulhador sobe à superfície da água, a pressão ambiente diminui e os gases dissolvidos se tornam menos solúveis. Se a subida for muito rápida, os gases que escapam do sangue do mergulhador podem formar bolhas que podem causar uma variedade de sintomas, desde erupções cutâneas e dores nas articulações até paralisia e morte. Para evitar o DCS, os mergulhadores devem subir de profundidades em velocidades relativamente lentas (10 ou 20 m/min) ou fazer várias paradas de descompressão, pausando por vários minutos em determinadas profundidades durante a subida. Quando essas medidas preventivas não são bem-sucedidas, os mergulhadores com DCS geralmente recebem oxigenoterapia hiperbárica em vasos pressurizados chamados câmaras de descompressão (ou recompressão) (Figura 11.11). Os pesquisadores também estão investigando reações e defesas corporais relacionadas, a fim de desenvolver melhores testes e tratamentos para doenças descompressivas. Por exemplo, Ingrid Eftedal, barofisiologista especializada em reações corporais ao mergulho, mostrou que os glóbulos brancos sofrem alterações químicas e genéticas como resultado da doença; elas podem ser potencialmente usadas para criar testes de biomarcadores e outros métodos para controlar a doença descompressiva.

Figura 11.11 (a) Mergulhadores da Marinha dos EUA são treinados em uma câmara de recompressão. (b) Os mergulhadores recebem oxigenoterapia hiperbárica.

Desvios da lei de Henry são observados quando ocorre uma reação química entre o soluto gasoso e o solvente. Assim, por exemplo, a solubilidade da amônia na água aumenta mais rapidamente com o aumento da pressão do que o previsto pela lei porque a amônia, sendo uma base, reage em certa medida com a água para formar íons de amônio e íons hidróxido.

Os gases podem formar soluções supersaturadas. Se uma solução de um gás em um líquido for preparada em baixa temperatura ou sob pressão (ou ambas), então, à medida que a solução aquece ou quando a pressão do gás é reduzida, a solução pode ficar supersaturada. Em 1986, mais de 1700 pessoas nos Camarões foram mortas quando uma nuvem de gás, quase certamente dióxido de carbono, borbulhou do Lago Nyos (Figura 11.12), um lago profundo em uma cratera vulcânica. A água no fundo do Lago Nyos está saturada com dióxido de carbono pela atividade vulcânica abaixo do lago. Acredita-se que o lago tenha sofrido uma reviravolta devido ao aquecimento gradual vindo de baixo do lago, e a água mais quente e menos densa saturada com dióxido de carbono atingiu a superfície. Consequentemente, enormes quantidades de CO ₂ dissolvido foram liberadas e o gás incolor, que é mais denso que o ar, fluiu pelo vale abaixo do lago e sufocou humanos e animais que viviam no vale.

Figura 11.12 (a) Acredita-se que o desastre de 1986 que matou mais de 1700 pessoas perto do Lago Nyos, nos Camarões, tenha ocorrido quando um grande volume de gás carbônico foi liberado do lago. (b) Uma abertura de CO ₂ já foi instalada para ajudar a liberar o gás do lago de forma lenta e controlada e evitar que uma catástrofe semelhante aconteça no futuro. (crédito a: modificação da obra de Jack Lockwood; crédito b: modificação da obra de Bill Evans)

Soluções de líquidos em líquidos

Alguns líquidos podem ser misturados em qualquer proporção para produzir soluções; em outras palavras, eles têm solubilidade mútua infinita e são considerados miscíveis. Etanol, ácido sulfúrico e etilenoglicol (populares para uso como anticongelante, ilustrados na Figura 11.13) são exemplos de líquidos que são completamente miscíveis com água. O óleo de motor de dois ciclos é miscível com gasolina, cujas misturas são usadas como combustíveis lubrificantes para vários tipos de equipamentos elétricos externos (motosserras, sopradores de folhas e assim por diante).

Figura 11.13 Água e anticongelante são miscíveis; as misturas dos dois são homogêneas em todas as proporções. (crédito: “dno1967” /Wikimedia commons)

Líquidos miscíveis são normalmente aqueles com polaridades muito semelhantes. Considere, por exemplo, líquidos que são polares ou capazes de se ligar ao hidrogênio. Para esses líquidos, as atrações dipolo-dipolo (ou ligação de hidrogênio) das moléculas de soluto com as moléculas de solvente são pelo menos tão fortes quanto aquelas entre moléculas no soluto puro ou no solvente puro. Portanto, os dois tipos de moléculas se misturam facilmente. Da mesma forma, os líquidos não polares são miscíveis entre si porque não há diferença apreciável nas forças das atrações intermoleculares soluto-soluto, solvente-solvente e solvente soluto. A solubilidade de moléculas polares em solventes polares e de moléculas não polares em solventes não polares é, novamente, uma ilustração do axioma químico “semelhante dissolve semelhante”.

Dois líquidos que não se misturam de forma apreciável são chamados de imiscíveis. Camadas separadas são formadas quando líquidos imiscíveis são despejados no mesmo recipiente. Gasolina, óleo (Figura 11.14), benzeno, tetracloreto de carbono, algumas tintas e muitos outros líquidos não polares são imiscíveis com a água. Forças de atração relativamente fracas entre as moléculas polares de água e as moléculas líquidas não polares não são adequadas para superar uma ligação de hidrogênio muito mais forte entre as moléculas de água. A distinção entre imiscibilidade e miscibilidade é realmente uma extensão, de modo que os líquidos miscíveis são de solubilidade mútua infinita, enquanto os líquidos considerados imiscíveis são de solubilidade mútua muito baixa (embora não zero).

Figura 11.14 Água e óleo são imiscíveis. As misturas dessas duas substâncias formarão duas camadas separadas com o óleo menos denso flutuando sobre a água. (crédito: “Yortw” /Flickr)

Diz-se que dois líquidos, como bromo e água, que são de solubilidade mútua moderada são parcialmente miscíveis. Dois líquidos parcialmente miscíveis geralmente formam duas camadas quando misturados. No caso da mistura de bromo e água, a camada superior é água, saturada com bromo, e a camada inferior é bromo saturado com água. Como o bromo é não polar e, portanto, não é muito solúvel em água, a camada de água é apenas ligeiramente descolorida pelo bromo laranja brilhante dissolvido nela. Como a solubilidade da água no bromo é muito baixa, não há efeito perceptível na cor escura da camada de bromo (Figura 11.15).

Figura 11.15 O bromo (o líquido laranja profundo à esquerda) e a água (o líquido transparente no meio) são parcialmente miscíveis. A camada superior da mistura à direita é uma solução saturada de bromo em água; a camada inferior é uma solução saturada de água em bromo. (crédito: Paul Flowers)

Soluções de sólidos em líquidos

A dependência da solubilidade na temperatura para vários sólidos em água é mostrada pelas curvas de solubilidade na Figura 11.16. A revisão desses dados indica uma tendência geral de aumento da solubilidade com a temperatura, embora haja exceções, conforme ilustrado pelo composto iônico sulfato de cério.

Figura 11.16 Este gráfico mostra como a solubilidade de vários sólidos muda com a temperatura.

A dependência da solubilidade da temperatura pode ser explorada para preparar soluções supersaturadas de certos compostos. Uma solução pode ser saturada com o composto a uma temperatura elevada (onde o soluto é mais solúvel) e posteriormente resfriada a uma temperatura mais baixa sem precipitar o soluto. A solução resultante contém soluto em uma concentração maior do que sua solubilidade de equilíbrio na temperatura mais baixa (ou seja, é supersaturada) e é relativamente estável. A precipitação do excesso de soluto pode ser iniciada adicionando um cristal de semente (veja o vídeo no Link to Learning, anteriormente neste módulo) ou agitando mecanicamente a solução. Alguns aquecedores de mãos, como o mostrado na Figura 11.17, aproveitam esse comportamento.

Figura 11.17 Este aquecedor de mãos produz calor quando o acetato de sódio em uma solução supersaturada precipita. A precipitação do soluto é iniciada por uma onda de choque mecânica gerada quando o disco de metal flexível dentro da solução é “clicado”. (crédito: modificação do trabalho de “Velela” /Wikimedia Commons)

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Este vídeo mostra o processo de cristalização que ocorre em um aquecedor de mãos.