Solvatación: qué es, proceso, ejemplos
¿Qué es la solvatación?
La solvatación es la unión física y química entre partículas de soluto y de solvente en una disolución. Se diferencia del concepto de solubilidad en el hecho de que no existe un equilibrio termodinámico entre un sólido y sus partículas disueltas.
Esta unión es la responsable de que los sólidos disueltos “desaparezcan” a la vista de los espectadores; cuando en realidad, las partículas se vuelven muy pequeñas y terminan “arropadas” por sábanas de moléculas de solvente, lo cual hace imposible observarlas.
En la imagen superior se representa un bosquejo muy general de la solvatación de una partícula M. M puede ser bien un ion (M+) o una molécula; y S es la molécula de solvente, la cual puede tratarse de cualquier compuesto en estado líquido (aunque también puede ser gaseoso).
Nótese que M se encuentra rodeado de seis moléculas de S, las cuales conforman lo que se conoce como esfera de solvatación primaria. Otras moléculas de S a mayor distancia interactúan por fuerzas de Van der Waals con las primeras, formando una esfera de solvatación secundaria, y así sucesivamente hasta que no sea evidente algún ordenamiento.
Proceso de solvatación
Molecularmente, ¿cómo es el proceso de solvatación? La imagen superior resume los pasos necesarios.
Las moléculas de solvente, de color azul, inicialmente se encuentran ordenadas interaccionando todas unas con otras (S—S); y las partículas (iones o moléculas) de soluto, de color morado, hacen lo mismo con interacciones M—M fuertes o débiles.
Para que ocurra la solvatación, tanto solvente como soluto deben expandirse (segunda flecha negra) para permitir así las interacciones soluto-solvente (M—S).
Esto implica obligatoriamente una disminución de las interacciones soluto-soluto y solvente-solvente; disminución que requiere energía, y por lo tanto, este primer paso es endotérmico.
Una vez se hayan expandido molecularmente el soluto y el solvente, ambos se mezclan e intercambian lugares en el espacio. Cada círculo morado de la segunda imagen puede compararse con el de la primera imagen.
Puede detallarse en la imagen un cambio en el grado de ordenamiento de las partículas; ordenadas al principio, y desordenadas al final. Como consecuencia, el último paso es exotérmico, ya que la formación de las nuevas interacciones M—S estabilizan a todas las partículas de la disolución.
Aspectos energéticos
Detrás del proceso de solvatación, hay muchos aspectos energéticos que deben tomarse en cuenta. Primeramente: las interacciones S—S, M—M y M—S.
Cuando las interacciones M—S, es decir, entre el soluto y el solvente, son muy superiores (fuertes y estables) comparadas a las de los componentes individuales, se habla de un proceso de solvatación exotérmico; y por lo tanto, se libera energía al medio, lo cual puede comprobarse midiendo con un termómetro el aumento de la temperatura.
Si, por el contrario, las interacciones M—M y S—S son más fuertes que las M—S, entonces para “expandirse” necesitarán más energía que la que ganan una vez culmine la solvatación.
Se habla entonces de un proceso de solvatación endotérmico. Siendo este caso, se registra un descenso de la temperatura, o lo que es igual, se enfría los alrededores.
Hay dos factores fundamentales que dictaminan si un soluto se disuelve o no en un solvente. El primero es el cambio de entalpía de disolución (ΔHdis), como acaba de explicarse, y el segundo es el cambio de entropía (ΔS) entre el soluto y el soluto disuelto. Generalmente, ΔS se asocia al incremento de desorden también mencionado arriba.
Interacciones intermoleculares
Se mencionó que la solvatación es el resultado de la unión física y química entre el soluto y el solvente; sin embargo, ¿cómo exactamente son estas interacciones o uniones?
Si el soluto es un ion, M+, se producen las llamadas interacciones ion-dipolo (M+—S); y si es una molécula, entonces habrá interacciones dipolo-dipolo o fuerzas de dispersión de London.
Cuando se habla de interacciones dipolo-dipolo, se dice que hay un momento dipolar permanente en M y S. Así, la región rica en electrones δ- de M interactúa con la región pobre de electrones δ+ de S. El resultado de todas estas interacciones es la formación de varias esferas de solvatación entorno a M.
Adicionalmente, existe otro tipo de interacciones: el coordinativo. Aquí, las moléculas de S forman enlaces de coordinación (o dativos) con M, formando diversas geometrías.
Una regla fundamental para memorizar y predecir la afinidad entre el soluto y el solvente es: igual disuelve a igual. Por lo tanto, las sustancias polares se disuelven con gran facilidad en solventes igual de polares; y las sustancias apolares, se disuelven en solventes apolares.
Diferencias entre solvatación e hidratación
¿En qué se diferencia la solvatación de la hidratación? Los dos procesos idénticos, salvo porque las moléculas S, de la primera imagen, se sustituyen por las del agua, H-O-H.
En la imagen superior se puede apreciar a un catión M+ rodeado de seis moléculas de H2O. Nótese que los átomos de oxígeno (de color rojo) se dirigen orientados a la carga positiva, debido a que es el más electronegativo y por lo tanto presenta la mayor densidad negativa δ-.
Detrás de la primera esfera de hidratación, otras moléculas de agua se agrupan alrededor mediante puentes de hidrógeno (OH2—OH2). Estas son interacciones del tipo ion-dipolo. Sin embargo, las moléculas de agua también pueden formar enlaces de coordinación con el centro positivo, en especial si es metálico.
Así, se originan los famosos acuocomplejos, M(OH2)n. Como n=6 en la imagen, las seis moléculas se orientan entorno a M en un octaedro de coordinación (la esfera interna de hidratación). Dependiendo del tamaño de M+, la magnitud de su carga, y su disponibilidad electrónica, dicha esfera puede ser más pequeña o grande.
El agua es quizás el solvente más sorprendente de todos: disuelve una cantidad inconmensurables de solutos, es un solvente demasiado polar y tiene una constante dieléctrica anormalmente alta (78.5 K).
Ejemplos de solvatación
A continuación se mencionan tres ejemplos de solvatación en agua.
Cloruro de calcio
Al disolver el cloruro de calcio en agua, se libera calor al solvatarse los cationes Ca2+ y los aniones Cl–. El Ca2+ se rodea de un número de moléculas de agua igual o mayor a seis (Ca2+—OH2).
Asimismo, el Cl– se ve rodeado de átomos de hidrógeno, la región δ+ del agua (Cl–—H2O). El calor liberado puede destinarse al derretimiento de masas de hielo.
Urea
Para el caso de la urea, se trata de una molécula orgánica con estructura H2N–CO–NH2. Al solvatarse, las moléculas de H2O forma puentes de hidrógeno con los dos grupos aminos (–NH2—OH2) y con el grupo carbonilo (C=O— H2O). Estas interacciones son responsables de su gran solubilidad en agua.
Asimismo su disolución es endotérmica, es decir, enfría el recipiente de agua donde se adiciona.
Nitrato de amonio
El nitrato de amonio, al igual que la úrea, es un soluto que enfría la disolución tras la solvatación de sus iones. El NH4+ se solvata de un modo similar al Ca2+, aunque probablemente por ser de geometría tetraédrica posea menos moléculas de H2O a su alrededor; y el NO3– se solvata del mismo modo que los aniones Cl– (OH2—O2NO— H2O).
Referencias
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). CENGAGE Learning.
- Belford R. (s.f.). Solvation Processes. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
- Surf Guppy. (s.f.). The Process of Solvation. Recuperado de: surfguppy.com