Solución sobresaturada: concepto, características, preparación, ejemplos

¿Qué es una solución sobresaturada?

La solución sobresaturada es aquella en la que el solvente ha disuelto más soluto del que puede disolver en el equilibrio de saturación. Todas tienen en común el equilibrio de saturación, con la diferencia de que en algunas soluciones este se alcanza a menores o mayores concentraciones de soluto.

El soluto bien puede tratarse de un sólido, como el azúcar, el almidón, las sales, etc.; o de un gas, como el CO₂ en las bebidas carbonatadas. Aplicando un razonamiento molecular, las moléculas del solvente rodean a las del soluto y buscan abrir espacio entre ellas mismas para poder albergar más cantidad de soluto.

Así, llega un momento en que la afinidad solvente-soluto no puede superar la falta de espacio, estableciéndose el equilibrio de saturación entre el cristal y sus alrededores (la solución). En este punto, no importa cuánto se muelan los cristales o se agiten: el solvente ya no puede disolver más soluto.

¿Cómo “obligar” al solvente a disolver más soluto? Mediante un aumento de temperatura (o de presión, en el caso de los gases). De esta manera, las vibraciones moleculares aumentan y el cristal empieza a ceder más de sus moléculas a la disolución, hasta disolverse por completo; es aquí cuando se dice que la solución está sobresaturada.

En la imagen superior se muestra una solución sobresaturada de acetato de sodio, cuyos cristales son producto de la reinstauración del equilibrio de saturación.

Aspectos teóricos

Saturación

Las soluciones pueden conformarse por una composición que incluya los estados de la materia (sólido, líquido o gaseoso); sin embargo, siempre tienen una única fase.

Cuando el solvente no puede disolver completamente el soluto, se observa como consecuencia otra fase. Este hecho refleja el equilibrio de saturación; pero, ¿de qué trata dicho equilibrio?

Los iones o moléculas interaccionan para formar cristales, ocurriendo con mayor probabilidad a medida que el solvente no puede mantenerlas apartadas por más tiempo.

Sobre la superficie del cristal, sus componentes colisionan para adherirse a est, o también pueden rodearse de moléculas de solvente; algunas salen, otras se adhieren. Lo anterior puede representar con la siguiente ecuación:

Sólido => sólido disuelto

En las soluciones diluidas el “equilibrio” está muy desplazado hacia la derecha, debido a que hay mucho espacio disponible entre las moléculas de solvente. Por otro lado, en las soluciones concentradas todavía el solvente puede disolver soluto, y el sólido que se añade tras una agitación se disolverá.

Una vez alcanzado el equilibrio, las partículas del sólido agregado tan pronto como se disuelvan en el solvente y otras, en solución, deben “salir” para abrir espacio y permitir su incorporación en la fase líquida. Así, el soluto va y viene de la fase sólida a la fase líquida a la misma velocidad; cuando sucede esto se dice que la solución está saturada.

Sobresaturación

Para forzar el equilibrio a la disolución de más sólido la fase líquida debe abrir espacio molecular, y para ello es necesario estimularla energéticamente. Esto ocasiona que el solvente admita más soluto de lo que normalmente puede en condiciones de temperatura y presión ambientes.

Cesado el aporte de energía a la fase líquida, la solución sobresaturada se mantiene metaestable. Por lo tanto, ante cualquier perturbación puede romper su equilibrio y originar la cristalización del exceso de soluto hasta alcanzar nuevamente el equilibrio de saturación.

Por ejemplo, dado un soluto muy soluble en agua, se agrega determinada cantidad de este hasta que el sólido no pueda disolverse. Luego se aplica calor al agua, hasta garantizar la disolución del sólido remanente. Se retira la solución sobresaturada y se deja enfriar.

Si el enfriamiento es muy brusco, la cristalización se dará instantáneamente; por ejemplo, añadiendo un poco de hielo a la solución sobresaturada.

El mismo efecto también podría observarse si se arrojara al agua un cristal del compuesto soluble. Este sirve como soporte de nucleación para las partículas disueltas. El cristal crece acumulando las partículas del medio hasta que la fase líquida esté estabilizada; esto es, hasta que la solución esté saturada.

Características de las soluciones sobresaturadas

En las soluciones sobresaturadas se ha sobrepasado el límite en el cual la cantidad de soluto ya no es disuelta por el solvente; por lo tanto, este tipo de soluciones tiene un exceso de soluto y presenta las siguientes características:

• Pueden existir con sus componentes en una sola fase, como en soluciones acuosas o gaseosas, o presentarse como una mezcla de gases en un medio líquido.
• Al alcanzar el grado de saturación, el soluto que no es disuelto va a cristalizar o precipitar (forma un sólido desorganizado, impuro y sin patrones estructurales) con facilidad en la solución.
• Es una solución inestable. Cuando precipita el exceso de soluto no disuelto se produce una liberación de calor que es proporcional a la cantidad de precipitado. Este calor se va generando por el choque local o in situ de las moléculas que van cristalizando. Debido a que se estabiliza, necesariamente debe liberar energía en forma de calor (en estos casos).
• Algunas propiedades físicas como la solubilidad, densidad, viscosidad e índice de refracción dependen de la temperatura, el volumen y la presión a la que es sometida la solución. Por esta razón tiene propiedades distintas a sus respectivas soluciones saturadas.

¿Cómo se prepara?

Existen variables en la preparación de las soluciones, como el tipo y concentración del soluto, el volumen de disolvente, la temperatura o la presión. Modificando cualquiera de estas se puede preparar una solución sobresaturada a partir de una saturada.

Cuando la solución alcanza un estado de saturación y se modifica una de estas variables, se puede entonces obtener una solución sobresaturada. Por lo general, la variable predilecta es la temperatura, aunque también puede ser la presión.

Si una solución sobresaturada se somete a evaporación lenta, las partículas del sólido se van encontrando y pueden formar una solución viscosa, o un cristal entero.

Ejemplos y aplicaciones

-Existe una gran variedad de sales con las cuales se pueden obtener soluciones sobresaturadas. Se han venido utilizando desde hace mucho tiempo a nivel industrial y comercial, y han sido objeto de numerosas investigaciones. Entre las aplicaciones destacan las soluciones de sulfato de sodio y las soluciones acuosas de bicromato de potasio.

-Las soluciones sobresaturadas formadas por soluciones azucaradas, como la miel, son otros ejemplos. A partir de estas se preparan caramelos o jarabes, teniendo una importancia vital en la industria alimentaria. Cabe destacar también se aplican en la industria farmacéutica en la preparación de algunos medicamentos.