Experimento casero: relación entre pH y solubilidad

Vamos a realizar un experimento casero que nos permitirá analizar diferentes aspectos relacionados con las reacciones ácido-base. Para ello no necesitamos nada más que un huevo, vinagre (unos 150 mL) y un tarro de cristal:

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Sólo tenemos que meter el huevo dentro del tarro y cubrirlo con vinagre. Lo primero que observamos es que la cáscara comienza a recubrirse de pequeñas burbujas, que irán aumentando según pase el tiempo:

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A las pocas horas observamos que se han desprendido pequeñas láminas de la cáscara y, al cabo de unos dos días, ésta habrá desaparecido completamente. Comprobaremos que el huevo ha aumentado de tamaño, ha perdido su dureza y ha aumentado considerablemente su elasticidad (podemos comprobar que bota si lo dejamos caer desde una pequeña altura).

¿Qué ha ocurrido?

La acidez del vinagre

El vinagre es una disolución ácida debido a la presencia de ácido acético (CH3COOH). En el Real Decreto 661/2012, referente a la norma de calidad para la elaboración y la comercialización de los vinagres, se define la acidez o grado de acidez de un vinagre como los gramos de ácido acético contenidos en 100 mL de dicho producto.

Como la acidez del vinagre es de unos 6°, su concentración en acético es de 6 g/100 mL, que equivale a una concentración 1 M. Al ser el ácido acético un ácido débil, su disociación no es completa y depende de su Ka. Teniendo esto en cuenta, su pH se sitúa en torno a 2’4.

Estructura del huevo y su cáscara

En el huevo distinguimos tres partes diferenciadas: la yema (o vitelo), la clara (o albumen) y la cáscara.

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La cáscara supone alrededor del 10 % de la masa del huevo (unos 6 g en uno de tamaño medio), es porosa, y se encarga de proteger, aislar y dar forma al huevo. Está compuesta fundamentalmente por una matriz de proteínas fibrosas entrelazadas y carbonato de calcio (CaCO3), aunque también encontramos carbonatos de otros metales, principalmente de magnesio. Estos carbonatos insolubles suponen prácticamente el 95 % de la cáscara.

Toda la superficie de la cáscara se encuentra recubierta por una cutícula orgánica que está formada principalmente por proteínas (90%) y pequeñas cantidades de lípidos y glúcidos. El interior de la cáscara está recubierto por dos membranas testáceas. Entre la membrana interna y la externa se encuentra una cámara de aire, que es mayor cuanto menos fresco es el huevo.

Reacción entre el carbonato cálcico y el ácido acético

La cáscara desaparece porque está compuesta por carbonato cálcico, que reacciona con el ácido acético del vinagre, según la siguiente reacción:

2 CH3COOH + CaCO3 → Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2

El CaCO3 es una sal muy insoluble y la hidrólisis del anión carbonato está muy poco favorecida:

carbonato-calcico-medio-acido

El vinagre proporciona un pH ácido con una elevada concentración de H3O+, que reaccionan con los OH, favoreciendo que los equilibrios de hidrólisis se desplacen hacia la derecha, por lo que el equilibrio de solubilidad también se desplaza hacia la derecha. En consecuencia, una disminución del pH provoca un aumento de la solubilidad del CaCO3.

Además, el ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono y agua:

H2CO3  ⇄  CO2 + H2O

Al liberarse el CO2, como se aprecia en la formación de burbujas, el equilibrio se desplaza hacia la derecha aumentando la solubilidad de la sal.

Fenómenos osmóticos

Un cambio evidente que se observa es el aumento de tamaño del huevo. Esto es debido a que las membranas de la cáscara son membranas semipermeables, que permiten la difusión de agua a través de ellas a favor del gradiente de concentración de sales. Es decir, que debido a la diferencia de concentraciones entre el interior y el exterior del huevo, se produce una entrada de agua que provoca un aumento de volumen.

Desnaturalización de proteínas

La cáscara y las membranas que la recubren poseen proteínas, que en medio ácido se pueden desnaturalizar. Este fenómeno produce un cambio conformacional en la estructura de las proteínas que modifica sus propiedades, y provocan un aumento de su elasticidad.

El producto de solubilidad

La solubilidad de un soluto es la cantidad máxima que se puede disolver en una cantidad determinada de disolvente o de disolución a una determinada temperatura. Se suele simbolizar como s y se expresa en g/L o mol/L.

Una disolución saturada es aquella que no admite más soluto, por lo que la concentración de soluto en una disolución saturada es igual a su solubilidad a la temperatura considerada. Cuando añadimos soluto en exceso a una disolución se disolverá la cantidad que determine su solubilidad y el resto permanecerá sin disolver en estado sólido, estableciéndose un equilibrio con el soluto disuelto.

Así, considerando el equilibrio de disociación de una sal en disolución:

equilibrio-solubilidad

Es un equilibrio heterogéneo en el que sólo intervienen las concentraciones de los iones disociados (en disolución). Teniendo en cuenta que las concentraciones dependen de la solubilidad de la sal:

producto-solubilidad

Esta constante de equilibrio se conoce como producto de solubilidad. Veamos unos ejemplos:

ejemplos-producto-solubilidad

El producto de solubilidad nos permite predecir qué sucederá en una disolución acuosa en la que se hallan presentes los iones de un compuesto en una determinada concentración. Si empleamos esta concentración en el producto de solubilidad determinaremos el producto iónico, Q:

  • Si Q < K, la disolución está insaturada y admite más soluto, se favorece el desplazamiento a la derecha del equilibrio.
  • Si Q = K, la disolución está saturada y se encuentra en equilibrio.
  • Si Q > K, la disolución está sobresaturada, es inestable y el soluto en exceso precipitará, pues se favorece el desplazamiento hacia la izquierda del equilibrio.

Reacciones de precipitación

Una reacción de precipitación consiste en la formación de un compuesto insoluble, que recibe el nombre de precipitado, al mezclar dos disoluciones, cada una de las cuales aporta un ion a dicho compuesto insoluble.

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Para que una sustancia precipite como consecuencia de la reacción entre dos sustancias disueltas, su producto iónico debe ser mayor que la constante del producto de solubilidad. En este caso, el compuesto precipitará hasta que ambos se igualen.

Efecto del Ion Común

Consiste en el desplazamiento de un equilibrio iónico cuando varía la concentración de uno de los iones que intervienen en él, debido a la presencia en la disolución de una sal disuelta que lo contiene.

Si se añade a una disolución de una sal poco soluble uno de los iones que la forman (ion común) se produce un aumento en su concentración, de manera que el equilibrio se desplaza para contrarrestar este efecto y aumenta la cantidad de sal precipitada, disminuyendo así la solubilidad de la sal.

Para que nos quede bien claro, lo mejor es practicar un poco con unos ejercicios!