Defina cada um dos termos a seguir. Como eles se relacionam com a solubilidade de uma substância química e com sua capacidade de precipitar-se?
a. Solução insaturada
b. Solução saturada
c. Solução supersaturada

Passo 1

O enunciado pede que eu defina, de forma clara e didática, cada um dos três termos abaixo e que explique como cada um se relaciona com a solubilidade de uma substância e com a sua capacidade de precipitar:
a. Solução insaturada
b. Solução saturada
c. Solução supersaturada
Informações dadas: não há dados numéricos no enunciado — só é pedido definição e relação com solubilidade/precipitação. Vou usar conceitos de equilíbrio de dissolução, produto de solubilidade e razão de reação para explicar (essas são as ferramentas necessárias).

Passo 2

Primeiro, vamos entender o conceito central: o equilíbrio de dissolução e o produto de solubilidade. Quando um sal pouco solúvel se dissolve, há uma reação reversível do tipo
A_{m}B_{n}(s) \rightleftharpoons m\,A^{n+}(aq) + n\,B^{m-}(aq).
O produto de solubilidade K_{sp} é a constante de equilíbrio para essa reação e é definido como
K_{sp} = [A^{n+}]^{m}\,[B^{m-}]^{n},
onde [A^{n+}] e [B^{m-}] são as concentrações molares dos íons em solução no equilíbrio.
Para decidir se a solução está insaturada, saturada ou supersaturada usamos o quociente de reação Q calculado exatamente como K_{sp} mas com as concentrações presentes no momento (não necessariamente no equilíbrio):
Q = [A^{n+}]^{m}\,[B^{m-}]^{n}.
Comparação importante:
  • Se Q < K_{sp} então ainda cabe mais soluto em solução (dissolve mais).
  • Se Q = K_{sp} a solução está em equilíbrio (saturada).
  • Se Q > K_{sp} as concentrações estão além do equilíbrio e a tendência termodinâmica é precipitar.

Passo 3

Agora defino conceito por conceito, mas antes um pequeno parêntesis didático sobre “solubilidade”: solubilidade é a quantidade máxima do soluto que pode existir dissolvida por unidade de volume em condições dadas (temperatura, pressão, presença de outros íons). Muitas vezes usamos “solubilidade molar” (moles por litro) ou o K_{sp} que depende da forma de equilíbrio acima. Temperatura e efeito de íons comuns alteram a solubilidade (por exemplo, adicionar um íon já presente diminui a solubilidade pelo princípio de Le Chatelier — isso é o chamado efeito do íon comum).

Passo 4

Definição detalhada: solução insaturada.
  • O que é: uma solução em que a quantidade de soluto dissolvido é menor que a quantidade que poderia estar dissolvida em equilíbrio nas mesmas condições. Ou seja, não atingiu a capacidade máxima de solubilidade.
  • Condição em termos de Q e K_{sp}: \;Q < K_{sp}.
  • Consequência sobre precipitação: não há tendência termodinâmica para precipitação; se eu adicionar mais soluto sólido, ele continuará a dissolver até alcançar o equilíbrio. Em geral, uma solução insaturada não precipita espontaneamente.
  • Exemplo intuitivo: imagine um copo com água e uma colher de sal — se o sal some (dissolve), a solução era insaturada.

Passo 5

Definição detalhada: solução saturada.
  • O que é: uma solução que contém a quantidade máxima de soluto que pode permanecer dissolvida nas condições dadas — ela está em equilíbrio dinâmico com o sólido dissolvido. Isso significa que a taxa de dissolução do sólido é igual à taxa de precipitação.
  • Condição em termos de Q e K_{sp}: \;Q = K_{sp}.
  • Consequência sobre precipitação: está em equilíbrio. Se você adicionar mais soluto sólido, o excesso precipitará até que o sistema volte a ter Q = K_{sp}. Se remover parte do soluto dissolvido (por exemplo, por complexação ou por evaporar solvente), o equilíbrio se desloca e o sólido pode dissolver-se mais (ou precipitar, dependendo da direção do deslocamento). Além disso, adicionar um íon comum (um dos íons já presentes) desloca o equilíbrio e provoca precipitação (efeito do íon comum).
  • Observação prática: saturado não significa “imóvel” — as partículas de sólido e íons trocam-se constantemente, só que com taxas opostas iguais.

Passo 6

Definição detalhada: solução supersaturada.
  • O que é: uma solução que contém mais soluto dissolvido do que a quantidade de equilíbrio permitiria nas condições dadas — isto é, as concentrações iônicas fazem com que \;Q > K_{sp}. Termodinamicamente deveria precipitar, mas cineticamente ainda não ocorreu precipitação. Portanto, é uma situação metastável.
  • Como se forma: normalmente produz-se por dissolver mais soluto a uma temperatura mais alta (onde a solubilidade é maior) e depois resfriar lentamente sem perturbar (ou por evaporação controlada), evitando que se formem núcleos sólidos.
  • Porque não precipita imediatamente: é necessário nucleação (formação de pequenos aglomerados sólidos) para que a precipitação comece; sem núcleos a barreira de energia impede a formação espontânea. Um pequeno distúrbio (agitar, inserir uma semente/cristal, poeira) fornece um centro de nucleação e provoca precipitação rápida.
  • Consequência sobre precipitação: muito predisposta a precipitar; ao “semear” a solução, o excesso precipita até que Q volte a ser igual a K_{sp} (ou até que se forme um novo equilíbrio).
  • Observação prática: fenômenos conhecidos como “cristalização por semeadura” ou truques de demonstração (por exemplo, preparo de bebidas efervescentes que “explodem” quando se coloca um cristal) são exemplos.

Passo 7

Resumo operacional e dicas para prova (método rápido para decidir):
  • Calcule o quociente iônico Q usando as concentrações atuais dos íons.
  • Compare com K_{sp}: \;Q<K_{sp} (insaturada — mais soluto dissolve); \;Q=K_{sp} (saturada — equilíbrio); \;Q>K_{sp} (supersaturada — precipitação termodinamicamente favorável, mas pode depender de nucleação).
  • Lembre-se do efeito do íon comum: adicionar um dos íons que já está no equilíbrio aumenta Q e pode causar precipitação (desloca para formar mais sólido).
  • Lembre-se da diferença entre termodinâmica e cinética: Q>K_{sp} diz o que é termodinamicamente favorecido, mas a cinética (nucleação) decide se a precipitação acontece imediatamente.

Resposta

a. Solução insaturada — uma solução que contém menos soluto dissolvido do que a capacidade de equilíbrio; em termos do produto de solubilidade, \;Q < K_{sp}. Relação: pode dissolver mais soluto e não tende a precipitar.
b. Solução saturada — uma solução que contém a máxima quantidade de soluto que pode permanecer dissolvida em equilíbrio com o sólido; \;Q = K_{sp}. Relação: está em equilíbrio dinâmico; adicionar mais soluto ou adicionar um íon comum provoca precipitação até restaurar \;Q = K_{sp}.
c. Solução supersaturada — uma solução que contém mais soluto do que o equilíbrio permite; \;Q > K_{sp}. Relação: termodinamicamente tende a precipitar (devolver o excesso ao sólido), mas pode permanecer temporariamente estável por barreiras de nucleação; um pequeno distúrbio ou semente costuma desencadear precipitação rápida.

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