Solubilidade, miscibilidade e sistemas miscíveis, imiscíveis e parcialmente miscíveis

Solubilidade, miscibilidade e sistemas miscíveis, imiscíveis e parcialmente miscíveis

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Introdução

Em muitas situações, temos misturas de substâncias, formando sistemas, que podem ser homogêneos ou heterogêneos, dependendo da interação existente entre estas substâncias, e fatores como pressão, temperatura e composição destes sistemas. A interação entre as substâncias, associada à temperatura, determina a solubilidade de uma substância em outra, que pode ser total ou apenas parcial.

Esta propriedade, a solubilidade, é utilizada também para separar misturas de substâncias parcialmente miscíveis, adicionando-se uma terceira substância que seja solúvel em apenas uma das substâncias do sistema, extraindo-a.

Neste trabalho, serão discutidas algumas propriedades e conceitos relacionados à solubilidade das substâncias.

1 - O que é “solubilidade”?

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. É a interação entre um soluto e um solvente determina quanto soluto pode se dissolver.

Para a maioria dos solutos, existe um limite em relação à quantidade que se pode dissolver num volume fixado de qualquer solvente. Este limite é denominado coeficiente de solubilidade, e varia dependendo da temperatura. Quando se adiciona alguma substância 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.

Nem todas as substâncias são solúveis em determinados solventes. 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.

Assim, caracteriza-se como solubilidade a capacidade que um determinado soluto tem de se dissolver em outro, conforme a temperatura e a quantidade de solvente disponível (ou, ao mesmo tempo, a quantidade de soluto presente na solução). Para os líquidos, utiliza-se também o termo miscibilidade, que caracteriza a capacidade que uma substância líquida tem de se misturar, formando um sistema homogêneo, ou se dissolver em outro líquido. Neste caso, geralmente considera-se a miscibilidade como uma propriedade mútua entre os dois líquidos do sistema.

2 - Substâncias solúveis, insolúveis e parcialmente solúveis (ou miscíveis).

Existem substâncias que se misturam e se solubilizam completamente, independente das suas proporções. É o caso, por exemplo, de uma solução formada por água e etanol, ou de uma solução formada pela liga metálica de cobre e estanho, que é chamado vulgarmente de latão. Estes sistemas são considerados totalmente solúveis ou miscíveis.

As interações entre as partículas das substâncias completamente solúveis são bastante efetivas e fortes. Utilizando como exemplo a solução de água e de etanol: o etanol, apesar de possuir uma cadeia carbônica, de caráter apolar, apresenta esta cadeia carbônica bastante curta. Além disso, possui um grupo hidroxila, que é capaz de formar pontes de hidrogênio com a água. Como as interações do tipo pontes de hidrogênio são interações muito fortes, estes líquidos são completamente solúveis:

Figura 1 - Interações intermoleculares existentes entre as moléculas de água e etanol, mostrando as ligações por pontes de hidrogênio, que fazem com que estas substâncias sejam completamente solúveis.

Outros sistemas, compostos geralmente por substâncias de polaridade muito diferentes, ou por sólidos iônicos que, apesar de serem polares, possuem elevada energia de hidratação, são considerados insolúveis, já que não solubilizam ou possuem solubilidade muito baixa (muitas vezes abaixo de 1g/100ml de solvente) em qualquer condição de temperatura ou de composição do sistema. Este é o caso do sistema formado por água e gasolina, e também por água e carbonato de lítio.

No caso do sistema composto por água e gasolina, as interações entre as moléculas não se dão porque não há como existir atração entre uma molécula tipicamente apolar, já que a gasolina é composta quase que totalmente pelo hidrocarboneto octano, C8H18, e uma molécula polar como a água.

Figura 2 - Estrutura do octano, uma molécula apolar, e estrutura da água, uma molécula apolar. Estas substâncias são insolúveis devido a esta diferença de polaridade, o que dificulta a existência de interações intermoleculares entre elas.

Já nos casos de compostos iônicos insolúveis em água, isto geralmente ocorre quando o cátion é pequeno e o ânion é bastante volumoso. Neste caso, o composto iônico passa a apresentar também um caráter covalente, e o pequeno cátion se torna quase que totalmente envolvido pelo ânion, dificultando o acesso das moléculas do solvente ao cátion, e fazendo com que a energia de hidratação dos íons não seja suficiente pra vencer a energia de rede do composto, e, assim, os íons não são separados e solvatados, o que os torna insolúveis neste solvente. É o caso do carbonato de cálcio, por exemplo, que possui o íon carbonato como ânion, um íon bastante volumoso, e possui como cátion o íon cálcio, que é um íon pequeno. Este sal é insolúvel em água devido à dificuldade que as moléculas de água encontram em hidratá-lo.

A maior parte das substâncias, porém, é parcialmente solúvel. Isto quer dizer que, para que elas sejam solúveis em um dado solvente, há determinadas condições de temperatura e de composição. Fora destas condições, a solubilidade é afetada. É o caso da mistura entre a água e o sal de cozinha, por exemplo. Sabe-se que o cloreto de sódio possui um coeficiente de solubilidade de aproximadamente 36g/100g de água, a uma temperatura de 25ºC. Isso indica que, caso haja uma composição maior do que 36% de NaCl, em massa, na solução, o sistema será bifásico, na mesma temperatura. Como o NaCl apresenta dissolução endotérmica, é preciso fornecer energia, em forma de calor, para que toda a massa de NaCl em excesso se dissolva. Aos 100ºC, a massa de cloreto de sódio que se dissolve em 100ml de água é de aproximadamente 39g. Como, apesar do efeito ebulioscópico que ocorre nesta mistura, a solubilidade máxima do NaCl não é muito superior a 39g/100g de água. Isto o torna um sólido parcialmente solúvel.

Existem líquidos que também são parcialmente solúveis, ou, melhor dizendo, parcialmente miscíveis, já que se trata de uma mistura de dois líquidos. Estes líquidos não se solubilizam mutuamente em todas as proporções, mas existem algumas destas condições em que eles formam uma única fase, ou seja, são solúveis. Quando uma pequena quantidade de líquido B é adicionada a uma amostra de um segundo líquido A, a uma certa temperatura T’, há a dissolução completa e o sistema torna-se monofásico. Porém, se a adição de B continuar, há um ponto em que não há mais dissolução, se a temperatura continuar constante, a dissolução só volta a ocorrer se a temperatura aumentar. À temperatura inicial, e com a nova composição, o sistema é constituído por duas fases em equilíbrio: uma fase mais abundante, onde A é saturado por B, e uma fase bem menos abundante, onde B é saturado por A. Porém, se continuar-se adicionando B no sistema, chegará um ponto em que a proporção dos dois líquidos será tal que, mesmo mantendo-se a temperatura inicial, o sistema volta a ser monofásico, porque o líquido B dissolverá totalmente o líquido A. Este é o caso de um sistema formado por hexano e nitrobenzeno, ou um sistema formado por fenol e água, por exemplo.

Quando altera-se a proporção do sistema, aumentando-se a temperatura, é possível fazer com que o sistema volte a ser monofásico. Existe uma composição, para um dado sistema, em que é necessária uma temperatura máxima para tornar o sistema solúvel, e a partir desta temperatura, o sistema apresenta uma única fase, para qualquer composição. Esta temperatura é chamada de temperatura crítica de solução, que é, por definição, a temperatura mais elevada em que pode haver separação entre as fases, e que, acima desta temperatura, os dois componentes são completamente solúveis um no outro.

3 - A representação de um sistema em função de suas condições

Como já discutiu-se, as substâncias podem ser solúveis/miscíveis, insolúveis/imiscíveis ou parcialmente solúveis/parcialmente miscíveis. Existem gráficos que demonstram esta solubilidade (ou qualquer outro estado assumido por uma substância), chamado diagrama de fases.

Fase é o que identifica um estado uniforme da matéria, em termos físicos e químicos. Portanto, quando se fala em estado sólido, refere-se a uma fase; quando se fala de uma solução, refere-se a uma fase; uma mistura de gases ou de líquidos completamente miscíveis, trata-se de uma fase.

Um diagrama de fases é um gráfico, ou, pode-se dizer, um “mapa”, que representa a relação de fases em função da temperatura, pressão e composição química de um sistema. Os diagramas de fases fornecem informações a respeito do número ou natureza das fases de um sistema em uma dada condição de temperatura e pressão ou de temperatura e composição.

Um exemplo de diagrama de fases é o que demonstra o estado físico de uma substância em função da temperatura e pressão:

Figura 3 - Diagrama de fases, demonstrando o estado físico de uma substância em função da temperatura e da pressão.

Outro exemplo de diagrama de fases é o gráfico de coeficiente de solubilidade de um sólido parcialmente solúvel em um líquido:

Figura 4 - Diagrama de fases, demonstrando a solubilidade de uma substância em um dado solvente em função da temperatura e da composição.

Há também um diagrama de fases que representa a miscibilidade entre líquidos, que apresentam um comportamento bastante particular, devido à solubilidade mútua entre as duas substâncias:

Figura 5 - Diagrama de fases para líquidos parcialmente miscíveis, demonstrando o número de fases e a miscibilidade do sistema em função da temperatura e da composição.

4 - Substâncias solúveis em dois líquidos imiscíveis

Existem casos de sistemas formados por líquidos completamente imiscíveis A e B, adicionando-se uma terceira substância C, que apresente certa solubilidade em ambos os líquidos, esta se solubiliza nos dois líquidos, em proporções que dependem na interação da terceira substância com cada fase. É o caso do sistema formado por clorofórmio, água e iodo, geralmente utilizado como demonstração didático-prática de separação de misturas por extração.

Figura 6 - Representação da solubilidade de uma substância C em dois líquidos, A e B, que são imiscíveis entre si.

A relação entre a concentração de C dissolvido em A e a concentração de C dissolvido em B é chamada de coeficiente de distribuição. O coeficiente de distribuição (Kd) é, portanto, a constante de equilíbrio de solubilidade de uma determinada substância C em A e B:

5 - Havendo mais de uma espécie em solução nos líquidos imiscíveis entre si

Este é o caso de um sistema formado por clorofórmio e uma solução aquosa de iodeto de sódio: o iodo, que se dissocia do sódio na solução aquosa, irá se distribuir pelos dois líquidos. No clorofórmio, irá existir iodo apenas na forma molecular, o I2. Porém, na água, existirá iodo na forma molecular, e iodo nas suas formas iônicas, o iodeto, I-, e tri-iodeto, I3-.

Nestes casos, é possível determinar-se as concentrações do soluto comum das duas soluções por titulação. No caso do clorofórmio, obtém-se apenas a concentração de iodo molecular, que é a única espécie presente. Então, sabendo-se o coeficiente de distribuição do sistema, é possível conhecer-se a concentração de iodo na solução aquosa:

Então, titulando-se a solução aquosa com um titulante apropriado (no caso do iodo, pode-se titular com tiossulfato de sódio), é possível determinar-se a concentração de cada espécie, pela constante de equilíbrio entre estas espécies:

Conclusão

Analisando-se os conceitos discutidos neste trabalho, pode-se chegar à conclusão de que as substâncias apresentam solubilidade que depende do grau de interação entre suas partículas e as partículas do solvente no qual está sendo solubilizado, e de fatores como pressão (a pressão tem grande influência apenas na solubilidade de gases em líquidos), temperatura e composição do sistema.

Para que uma substância seja solúvel em um determinado solvente, é necessário que as interações entre as partículas do solvente com as partículas do soluto sejam mais fortes ou iguais à interação existente entre as partículas do solvente. Isso justifica o fato de que substâncias com polaridades muito diferentes não se dissolvem, já que as interações entre eles não superam as interações existentes entre suas próprias partículas.

Estas interações podem ser afetadas e alteradas, variando-se as condições do sistema. Um aumento ou diminuição de temperatura ou a adição de uma maior quantidade de um dos componentes pode desestabilizar o sistema e fazê-lo assumir novas características, que podem ser facilmente visualizadas nos diagramas de fases.

Algumas substâncias possuem a propriedade de se dissolver em mais de uma substância, sendo estas com polaridades diferentes. Isto faz com que ela se distribua por estas duas substâncias, em proporções que dependem do grau de interação entre as partículas, até que se alcance um equilíbrio entre as fases e as composições.

Referências

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LABVIRTUAL. Fundamentos do equilíbrio líquido-líquido (LLE). Disponível em http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?Itemid=303&id=150&option=com_content&task=view, acesso em 19/06/2010.

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