Solubilidad

Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

1. Creando una solución saturadaexpandir

   En este experimento, crearás una solución saturada de tetraborato de sodio decahidrato, también llamado bórax. En el agua, el bórax se disocia en dos cationes de sodio y un anión tetraborato. Cuando una solución acuosa de bórax está saturada, significa que contiene la cantidad máxima de soluto disuelto, que es bórax, para ese volumen de solvente, que es agua. No parecerá que ningún sólido adicional se disuelva.

   Dado que la solubilidad depende de la temperatura, cada grupo creará una solución saturada a una temperatura diferente. Más bórax se disolverá a temperaturas más altas, lo que dará como resultado una solución con una mayor concentración de bórax.

   • Antes de comenzar el experimento, ponte el equipo de protección personal necesario, incluyendo una bata de laboratorio, gafas antisalpicaduras de productos químicos y guantes.
   • El instructor te asignará una temperatura para usar durante el experimento. En función de esta temperatura, determine la cantidad de bórax que necesitará para crear una solución saturada utilizando la tabla.

     >Temperatura (°C)	Cantidad de bórax (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Mide la cantidad necesaria de bórax para la temperatura asignada. Por ejemplo, se necesitan 8 g de bórax para una temperatura de 30 °C. Registre la masa en su cuaderno de laboratorio. Cree esta tabla para ayudarle a realizar un seguimiento de sus datos.

     Tabla 1: Datos de temperatura y volumen

     Temperatura asignada (°C)
     Masa de bórax (g)
     Trial	Temperatura de la solución (°C)	>Volumen (mL) de 0.5 M HCl añadido
     1
     2
     3
     4
     5

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   • Etiquete un vaso de precipitados de 150 ml como 'solución de bórax' y transfiera el bórax a él. Mida 50 ml de agua desionizada y viértala en el vaso de precipitados. Agregue una barra de agitación magnética a la solución, coloque el vaso de precipitados en la placa calefactora y active el ajuste de agitación.
   • Utilice una pinza de termómetro digital para sujetar un termómetro digital dentro del vaso de precipitados y encima de la barra de agitación. Caliente el vaso de precipitados entre 10 y 20 °C por encima de la temperatura asignada. nota: Los estudiantes a los que se les asigne la temperatura de 10 °C dejarán que el bórax se disuelva a temperatura ambiente.
   • Para todas las temperaturas asignadas, agregue 200 mL de agua desionizada a un vaso de precipitados de 400 mL. Luego, coloque un termómetro de vidrio en el vaso de precipitados con agua. Coloque el vaso de precipitados en la placa calefactora y caliente el agua a 20 °C por encima de la temperatura asignada. nota: Los estudiantes a los que se les asignó la temperatura de 10 °C deben usar agua a temperatura ambiente.
   • Etiquete los cinco frascos Erlenmeyer de 250 ml como 'ensayos 1 a 5'. Una vez que el bórax se haya disuelto completamente en la solución y parezca homogéneo, retire el vaso de precipitados de la placa de agitación y colóquelo en la mesa de trabajo para que se enfríe a la temperatura asignada.
   • Una vez que se haya alcanzado la temperatura, coloque el vaso de precipitados sobre una pila de toallas de papel para que actúe como aislante y mantenga una temperatura constante. nota: Los estudiantes asignados a la temperatura de 10 °C deben colocar su vaso de precipitados que contiene solución de bórax en un vaso más grande lleno de hielo y agua.
   • Etiquete otro vaso de precipitados de 400 ml como 'residuo' y pipetee 5 mL de agua caliente en su vaso de precipitados de desecho. Repita esto varias veces para calentar la pipeta y evitar que se obstruya a medida que el bórax se enfría.
   • Registre la temperatura exacta de la solución de bórax en su cuaderno. A continuación, pipetee 5 ml de la solución de bórax saturada desde la parte superior del vaso de precipitados y dispense en el primer matraz Erlenmeyer de 250 ml. No permita que la pipeta entre en contacto con el bórax cristalizado en la parte inferior del vaso de precipitados.
   • Pipetee 5 mL de agua caliente en el matraz Erlenmeyer que contiene la solución de bórax. Repita esto para cada uno de los cuatro matraces restantes, agregando 5 mL de solución de bórax y 5 mL de agua. Recuerde vigilar la temperatura de su solución de bórax, ya que se enfriará en la mesa de trabajo. nota: La temperatura de la solución saturada transferida a cada uno de los cinco matraces debe estar entre 2 y 3 °C entre sí. Es posible que los estudiantes que trabajan con temperaturas más altas deban recalentar su solución antes de continuar.
2. Valoración de la solución de bóraxexpandir

   Ahora determinará cuánto bórax se ha disuelto en su solución saturada. Recordemos la reacción química que muestra cómo el bórax se disocia en el agua, formando el ion tetraborato. Dado que el ion tetraborato es una base, reaccionará con el ácido después de una reacción de neutralización.

   Cuando la cantidad de ácido es el doble de la cantidad de tetraborato, la solución se neutraliza. Para ello, dispensaremos lentamente HCl en la solución de bórax hasta que se neutralice, es decir, que el ácido y la base reaccionen para formar agua y sal y un pH neutro. Utilizaremos el indicador de pH bromocresol verde para avisarnos cuando la solución se neutraliza, ya que cambia de azul a amarillo verdoso pálido cuando el pH es neutro.

   • Para comenzar la valoración, primero mida 40 mL de agua desionizada y agréguela a uno de los matraces Erlenmeyer. Agite el matraz para asegurarse de que todo el bórax esté en solución. Repita esto para los otros cuatro frascos.
   • Añadir 2 - 3 gotas de verde de bromocresol al 0,1% a cada matraz.
   • Sujete una abrazadera de bureta en un soporte de anillo y asegure una bureta en la abrazadera mientras se asegura de que la bureta esté vertical y lo más recta posible. Asegúrese de que la llave de paso de la bureta esté cerrada.
   • Coloque un embudo en el extremo abierto de la bureta y llene la bureta con agua desionizada. Coloque su vaso de precipitados debajo de la bureta y abra la llave de paso para dejar que todo el agua se enjuague de la bureta. A continuación, cierre la llave de paso.
   • Obtenga 0.5 M de HCl de su instructor y vierta 10 mL en la bureta. Use las marcas en el costado de la bureta como guía. Abra la llave de paso de la bureta para permitir que todo el HCl se drene en el vaso de precipitados
   • Cierre la llave de paso de nuevo, y luego llene la bureta con 50 mL de HCl. Abra ligeramente la llave de paso para permitir que el líquido llene la punta de la bureta y elimine cualquier burbuja.
   • Registre el volumen inicial de HCl en su cuaderno de laboratorio.
   • Para la primera prueba, titule el HCl en la solución de bórax en incrementos de 1 mL. Agite suavemente el matraz después de cada adición para asegurarse de que la solución esté bien mezclada. nota: En el punto final de la valoración, el indicador cambiará la solución de azul claro a un color amarillo verdoso pálido. Si la solución se vuelve de color amarillo oscuro, esto indica que ha superado el punto de conexión.
   • Cuando haya llegado al punto final, registre el volumen de HCl que queda en la bureta.
   • Vuelva a llenar la bureta hasta la marca de 50 ml con más HCl y repita la valoración para todos los demás frascos de solución de bórax. Asegúrese de registrar los volúmenes finales de HCl utilizados para cada valoración.
   • Para limpiar el experimento, coloque el vaso de precipitados de residuos de 400 ml debajo de la boquilla de la bureta y abra la bureta para drenar el HCl restante en ella.
   • Llene la bureta con agua desionizada y deje que se enjuague a través de la bureta.
   • Utilice la solución de bórax restante para neutralizar el ácido de su vaso de precipitados. Agita el vaso de precipitados hasta que deje de burbujear.
   • Añade bicarbonato de sodio al vaso de precipitados y agita la solución. Continúe agregando bicarbonato de sodio y revolviendo la solución hasta que deje de burbujear. nota: Es posible que no observe burbujeo porque el bórax hace la mayor parte de la neutralización.
   • Lava el contenido del vaso de precipitados por el fregadero con abundante agua. Los frascos que contienen bórax y HCl de sus valoraciones se neutralizan, por lo que también se pueden verter por el fregadero.
3. Resultadosexpandir
   • Primero, determine la constante de reacción K_sp para la disociación del bórax en agua. Determine la temperatura media en grados Celsius y el volumen medio de 0,5 M de HCl utilizado para alcanzar el punto final de la valoración.

     Tabla 2: Determinación de ΔG, ΔH y ΔS

     Temperatura asignada (°C)	>Tpromedio (°C)	Vpromedio (mL)	Tavg (K)	1/Tavg (K)	Moles de HCl de 0.5 M	Molaridad de Na2[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

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   • Obtenga datos de otros grupos para que tenga un volumen promedio de HCl para cada temperatura.
   • La constante de solubilidad se determina a partir de la estequiometría de la reacción de disociación del bórax y el agua. Dado que el reactivo es sólido, no se incluye en la expresión. Debido a que se forman dos cationes de sodio por cada tetraborato, se supone que la concentración de sodio es igual al doble de la concentración de tetraborato. Por lo tanto, la expresión se puede simplificar como se muestra: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • La concentración de tetraborato se puede calcular a partir del volumen de HCl utilizado para alcanzar el punto final de la valoración y neutralizar la base. Los moles de HCl son iguales al volumen de HCl multiplicado por la molaridad de la solución. Dado que se necesitan dos moles de HCl para neutralizar un mol de tetraborato, los moles de tetraborato se pueden calcular fácilmente.
   • Calcule la concentración de tetraborato (basada en un volumen de 5 mL de solución saturada) y determine la constante de reacción. Repite el cálculo para cada temperatura y compara los resultados.
   • Utilice los datos de valoración para calcular la energía libre de Gibbs, ΔG, en cada valor de temperatura para determinar si la disociación del bórax es una reacción espontánea. Recordemos la expresión ΔG, donde R es la constante del gas, T es la temperatura de la solución en Kelvin y K_sp es nuestra constante de reacción. Usando nuestras constantes de reacción y la temperatura correspondiente, calcule ΔG para cada temperatura.
   • Recuerde que si ΔG es positivo, la reacción no es espontánea, lo que significa que es necesario poner energía en la reacción para que continúe. Sin embargo, si ΔG es negativo, la reacción se produce espontáneamente. En general, esta reacción no es espontánea a bajas temperaturas, pero sí a temperaturas más altas. Esto apoya la teoría de que el bórax prefiere la estructura cristalina de sal formada a temperatura ambiente y más baja, pero prefiere entrar en solución después de alcanzar una cierta temperatura. Utilice K_sp para calcular ΔH y ΔS.
   • Representa el logaritmo natural de K_sp en función de 1/T reportado en Kelvin. La pendiente de esta recta es igual a -ΔH/R, así que calcula ΔH. La intersección de la recta es igual a ΔS/R. Determine ΔS.
   • Dado que el cambio en la entalpía de esta reacción es de aproximadamente 90 kJ/mol y es positivo, la reacción es endotérmica, lo que significa que absorbe energía. El cambio en la entropía es positivo y es de aproximadamente 290 J/mol·K, lo que indica la producción favorable de desorden. Esto es de esperar a medida que la estructura cristalina de la sal se descompone.