Solubilidad de los sólidos en los líquidos

Question

¿Cómo se produce la cristalización y por qué?

Me han dicho que cuando un sólido se disuelve en un disolvente líquido, se establece un equilibrio entre los procesos de disolución y cristalización. Pero si esto es así, ¿por qué se disuelve todo el soluto (hablo de una solución no saturada), no se supone que también recristaliza simultáneamente? Ciertamente me estoy perdiendo muchas cosas y sobre todo qué es la cristalización y cómo y por qué se produce?

No quiero saber nada de la técnica de separación por el principio de la cristalización. Sólo quiero saber el principio sí mismo.

Answer 1

El principio de solubilización -en el caso ideal- está estrechamente relacionado con el de fusión. Piensa en la solubilización como un proceso de dos pasos:

1. fundir el soluto;
2. mezclar el soluto y el disolvente.

Por supuesto, el paso 1 implica aumentar la temperatura hasta el punto de fusión, o al menos añadir energía (en forma de calor) en la temperatura de fusión para romper los enlaces atractivos entre las moléculas del soluto. Consideraremos sólo el caso en el que ya estamos en el punto de fusión (un proceso isotérmico), por lo que sólo hay que añadir calor para convertir el sólido en líquido.

El paso 2, en cambio, es espontáneo si el soluto y el disolvente se mezclan de forma ideal. No es necesario añadir calor (energía) para que este paso se lleve a cabo, suponiendo que ambas sustancias sean líquidas y se mezclen de forma ideal.

Ahora bien, lo que ocurre cuando se solubiliza algo es que hay que añadir menos de lo que habría necesitado en el paso 1 para fundir todo el soluto, ya que parte del calor requerido ( gratis ) la energía proviene del proceso de mezcla.

Por un argumento similar, basado en las propiedades de las soluciones ideales, se puede relacionar (aproximadamente) la solubilidad con el punto de fusión y el calor de fusión de la siguiente manera:

$$\log(x_2) = \frac{\Delta H^\circ_\mathrm{fus}}{R}\left(\frac{1}{T_\mathrm{fus}}-\frac{1}{T}\right)$$

Desde $\Delta H^\circ_\mathrm{fus}$ es generalmente positivo (se necesita calor para fundir algo) entonces el aumento de $T$ tiende a aumentar la solubilidad de los sólidos.

La cristalización es justo lo contrario de la solubilización. Y sí, siempre hay un equilibrio entre soluto soluble/insoluble, sólo que a veces la parte soluble o insoluble es despreciable, dependiendo de los valores de $\Delta H^\circ _\mathrm{fus}$ , $T_\mathrm{fus}$ y $T$ .

Answer 2

Básicamente, el proceso de recristalización consiste en disolver toda la muestra en un disolvente que disuelve principalmente las impurezas y sólo un poco del compuesto deseado. Si la muestra se disuelve ahora en el disolvente de reflujo, se obtiene una solución clara. Si esta solución se enfría lentamente, se inicia la formación de cristales, que prefieren formar una red cristalina (compuesta por un solo componente) para ganar la mayor entalpía de red posible. Por lo tanto, todas las impurezas permanecen en la solución y pueden ser filtradas posteriormente.

Answer 3

Me han dicho que cuando un sólido se disuelve en un disolvente líquido, se establece un equilibrio entre los procesos de disolución y cristalización.

Una vez que un sólido se mezcla con un disolvente, las reacciones de disolución y cristalización se producen simultáneamente. Esta parte es correcta. En algunos casos, se alcanza un equilibrio. Sin embargo, en otros casos la disolución se completa, por lo que esta afirmación es demasiado general. Sería mejor decir que se produce una competición entre la disolución y la cristalización, que a veces conduce al equilibrio.

Al principio, cuando la concentración de soluto es todavía baja, la tasa de cristalización es baja. A medida que se disuelve una mayor cantidad de sólido, la velocidad de cristalización aumenta porque la concentración de soluto se incrementa.

En condiciones de saturación, en un momento dado la velocidad de cristalización se iguala a la de disolución, y se llega a un equilibrio. En condiciones de subsaturación (si la concentración no alcanza el límite de solubilidad), la velocidad de cristalización nunca alcanza la de disolución, y la cantidad de sólido disminuye hasta desaparecer. El proceso nunca alcanza el equilibrio (se completa, es decir, el reactivo se agota).

¿no se supone que también se recristaliza simultáneamente?

Tanto en las soluciones saturadas como en las no saturadas, las partículas de soluto chocarán (con el sólido o con otras partículas de soluto). Sin embargo, es mucho más fácil que una partícula de soluto se adhiera a un sólido que dos partículas de soluto inicien un núcleo de cristalización. Así, aunque las partículas de soluto chocan, no formarán un sólido cuando las concentraciones son subsaturadas. De hecho, se pueden hacer soluciones supersaturadas que carecen de sólido porque para hacer núcleos de cristalización se requiere una mayor concentración de soluto que para añadir partículas de soluto a un sólido existente.