Químicos y solubilidad en agua: interacciones y ejemplos

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Introducción a la solubilidad química

Todo el mundo sabe que no es una buena idea nadar durante una tormenta, pero ¿alguna vez te has preguntado por qué? La razón no es que el agua sea un buen conductor de electricidad, a pesar de lo que haya escuchado. Son los químicos en el agua los que pueden hacerla conductora. Solo ciertos tipos de productos químicos ayudarán a que la electricidad fluya a través de la solución, mientras que otros no harán nada más que hundirse hasta el fondo de la piscina, o quizás simplemente disolverse.

Hablemos de estas diferentes clases de sustancias químicas y de los cambios que sufren cuando interactúan con el agua.

Compuestos iónicos solubles

Los compuestos iónicos están compuestos por un ion metálico positivo, llamado catión , y un ion negativo no metálico, llamado anión . A veces hay más de un catión y / o más de un anión en un compuesto iónico, a menudo llamado sal.

sal

La estructura de la sal es un marco repetido de catión (púrpura), anión (verde), catión,. . . en tres dimensiones. Esta es la forma óptima de juntar los iones porque, después de todo, ¡los opuestos se atraen!

Los compuestos solubles se pueden disolver en un líquido, que suele ser agua. Cuando una muestra de sal se disuelve en agua, los cationes y los iones se rompen. Puede preguntar, “¿Por qué harían eso? ¿No quieren estar uno al lado del otro? ”. Esto es cierto, pero no es el panorama completo. También debemos considerar la naturaleza de las moléculas de agua.

El agua es un compuesto covalente compuesto por elementos no metálicos unidos químicamente, en este caso hidrógeno y oxígeno. Los átomos de las moléculas covalentes comparten sus electrones entre sí, pero algunos elementos son mejores para absorber más que la “parte justa” de electrones. El oxígeno es mejor para tomar electrones que el hidrógeno, y cuando dibujamos la estructura del agua, parte de la molécula está parcialmente cargada negativamente (cerca del átomo de O, área rojiza) y parte está parcialmente cargada positivamente (cerca de los átomos de H, azul zona):

densidad de electrones de la molécula de agua

La separación parcial de la carga positiva y negativa en el agua se llama dipolo , y este dipolo es lo que hace que el agua sea una molécula polar.

Ahora imagina montones de moléculas de agua observando los cationes y aniones de la sal. Las partes negativas de las moléculas de agua piensan: “Sería bueno estar cerca de esos cationes”. Las partes positivas de las moléculas de agua piensan: “Sería bueno estar cerca de esos aniones”. Si hay suficiente energía en la solución para romper la muestra de sal, las moléculas de agua aprovechan la oportunidad para pulir los cationes y aniones separados:

Disolución de sal

Las partes negativas de varias moléculas de agua apuntan hacia los cationes y las partes positivas apuntan hacia los aniones. Una vez más, los opuestos se atraen. Las sales que se disuelven en agua lo harán porque las atracciones de iones de agua son más fuertes que las atracciones de iones de agua en la propia sal.

Las soluciones con sales disueltas son eléctricamente conductoras porque los iones se han separado unos de otros.

Compuestos moleculares solubles

¿Qué sucede si disolvemos otro compuesto covalente en agua? ¿Te gusta el azúcar (C 12 H 22 O 22 )?

El azúcar es un compuesto covalente que no se descompone fácilmente en iones. Cuando se disuelve en agua, la mejor opción de las moléculas de agua es observar los grupos -OH en la molécula de azúcar. El átomo de O en el extremo negativo de la molécula de agua puede hacer algo llamado enlace de hidrógeno con un átomo de H en un grupo -OH de azúcar. De manera similar, el átomo de O en un grupo -OH de azúcar puede formar un enlace de hidrógeno con un átomo de H de una molécula de agua:

Enlace de hidrógeno en sacarosa

El anillo hexagonal a la izquierda de la molécula de sacarosa es un azúcar llamado glucosa, del que hablaremos más adelante.

Las interacciones de enlace de hidrógeno de la sacarosa son lo suficientemente fuertes como para convencer a un cristal de azúcar compuesto por muchas moléculas de azúcar para que se rompa y se disuelva al interactuar con las moléculas de agua.

Este ejemplo de azúcar demuestra el principio de que “lo similar se disuelve como”: es probable que las moléculas con características similares entre sí, como los enlaces químicos OH, sean solubles juntas.

Compuestos moleculares parcialmente solubles

Las moléculas que pueden formar puentes de hidrógeno con agua suelen ser solubles en agua, pero no todos los productos químicos pueden formar enlaces de hidrógeno. Considere una molécula simple como el oxígeno, que existe como O 2 en la naturaleza.

Solo se puede disolver una pequeña cantidad de oxígeno en una muestra de agua, ¡pero generalmente es suficiente para que los peces respiren! No hay dipolo en la molécula de oxígeno, por lo que su interacción con el agua es muy débil. Sin embargo, existe cierta interacción. Cuando una molécula de agua se acerca a una molécula de oxígeno, los electrones del lado negativo de la molécula de agua repelen los electrones del átomo de O más cercano en O 2 . Esto hace que la molécula de oxígeno gane un dipolo temporal :

Dipolo de agua que induce un dipolo en oxígeno

El lado positivo temporal de la molécula de O 2 , mostrado por δ + , ahora es atraído por la molécula de agua. Además, el lado temporalmente negativo del O 2 será atraído por el lado positivo de otra molécula de agua cercana. Este tipo de interacciones son solo temporales y bastante débiles, por lo que las moléculas sin dipolos permanentes no se disuelven demasiado bien en agua.

Las moléculas polares, que tienen dipolos permanentes, normalmente se disuelven un poco mejor, porque las interacciones con el agua son más fuertes.

Un ejemplo es el ácido HCl. El HCl no solo tiene un dipolo permanente, sino que también se divide en iones en el agua, al igual que un compuesto iónico. Por tanto, el HCl es muy soluble en agua. De hecho, todos los ácidos y bases pueden dividirse en iones cuando se colocan en agua, al menos hasta cierto punto.

Sustancias químicas de red covalente

Algunas sustancias químicas están compuestas por redes tridimensionales de átomos unidos covalentemente. Un ejemplo sería el dióxido de silicio, SiO 2 :

dióxido de silicio

Los enlaces químicos silicio-oxígeno son fuertes, y tratar de disolver el diamante en agua es inútil: las moléculas de agua no pueden ” persuadir ” a la estructura del diamante para que rompa sus enlaces químicos con la promesa de atracciones favorables positivas-negativas, como las que tenemos. ya discutido. Sin embargo, los átomos de oxígeno en la superficie de un cristal de SiO 2 pueden formar enlaces de hidrógeno con los átomos de H de las moléculas de agua. La estructura de SiO 2 permanece intacta, pero fácilmente se rodea de moléculas de agua. Las sustancias de la red que no pueden formar puentes de hidrógeno tienen incluso menos interacción con el agua.

Moléculas muy grandes

Las moléculas grandes pueden, o no, romperse y / o disolverse en agua. Si se disuelven depende de la temperatura y el tamaño de la molécula. En términos generales, las moléculas más grandes son más difíciles de disolver que las más pequeñas.

Un ejemplo de una molécula grande es la celulosa, que es esencialmente un grupo de moléculas de glucosa unidas en una cadena larga. Las unidades de glucosa repetidas se denominan monómeros . Hay muchos grupos -OH en la celulosa, lo que la hace capaz de formar enlaces de hidrógeno con el agua, ¡pero una sola molécula de celulosa puede tener cientos o miles de unidades de glucosa de longitud! Las moléculas de celulosa pueden unirse por hidrógeno a sí mismas y a las moléculas de agua. Sin embargo, la atracción por las moléculas de agua no es suficiente para dividir la celulosa en moléculas de glucosa o para disolver todas las moléculas de celulosa. La celulosa permanece intacta y “se junta” con otras moléculas de celulosa, en lugar de disolverse en agua.

Resumen de la lección

Los productos químicos vienen en múltiples variedades, cada una de las cuales interactúa de manera diferente con el agua. Muchos compuestos iónicos pueden disolverse y dividirse en iones cuando se colocan en agua, generando una solución conductora de electricidad. Los compuestos covalentes solubles se disuelven, pero no se disocian en agua. La solubilidad del compuesto depende de si puede interactuar con moléculas mediante enlaces de hidrógeno y dipolos , por ejemplo. Las sustancias químicas de la red covalente tienen enlaces covalentes muy fuertes que no permitirán que la sustancia se rompa; estas sustancias químicas no se disuelven o disocian fácilmente. Moléculas muy grandes, a menudo compuestas por monómeros repetidos., puede interactuar favorablemente con el agua. Sin embargo, su tamaño a veces les impide disolverse en agua.