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Por que soluções supersaturadas são consideradas um fenômeno misterioso na comunidade científica?
Em físico-química, a supersaturação ocorre quando a concentração de um soluto em uma solução excede a solubilidade desse soluto no equilíbrio. Esse fenômeno se aplica principalmente a solutos sólidos em líquidos, mas também pode se aplicar a líquidos e gases dissolvidos em líquidos. Uma solução supersaturada está em um estado metaestável e pode retornar ao equilíbrio dissociando o excesso de soluto, adicionando solvente para diluí-lo ou aumentando a solubilidade do soluto.
O estudo de soluções supersaturadas remonta aos primeiros experimentos com sulfato de sódio, um sal que era ideal para pesquisas iniciais porque sua solubilidade em água diminui à medida que a temperatura aumenta.
Com o tempo, os cientistas gradualmente perceberam que o processo de cristalização de soluções supersaturadas não depende apenas da agitação, como se acreditava anteriormente, mas requer a adição de "sementes" sólidas para iniciar o processo de cristalização. Esse conceito foi expandido pelo famoso químico Gay-Lussac, que destacou a influência da cinemática dos íons salinos e das características do recipiente no estado supersaturado. Mais tarde, Henry Lowell propôs que os núcleos na solução e as paredes do recipiente catalisavam o processo de cristalização.
Exemplos e mecanismos de supersaturação
Quando a temperatura de uma solução saturada é alterada, a solução de um composto em um líquido se torna supersaturada. Geralmente, à medida que a temperatura diminui, a solubilidade diminui e o excesso de soluto se separa rapidamente da solução na forma de cristais ou pó amorfo. No entanto, há casos em que ocorre o oposto. Recristalização é um processo usado para purificar compostos químicos. Envolve aquecer uma mistura de impurezas e solvente até que o composto seja dissolvido, depois filtrar as impurezas restantes e, então, diminuir a temperatura para supersaturar brevemente a solução.
Esses processos ilustram o comportamento de soluções supersaturadas e indicam que pequenos cristais ou partículas de vidro podem atuar como núcleos para induzir a cristalização.
Interação de solutos gasosos e líquidos
A solubilidade de um gás em um líquido aumenta à medida que a pressão do gás aumenta. Quando a pressão externa é reduzida, o excesso de gás é liberado da solução. Por exemplo, bebidas carbonatadas efervescem porque o dióxido de carbono se dissolve no líquido sob alta pressão. Quando a garrafa é aberta, a pressão diminui e o gás é liberado na forma de bolhas. Para mergulhadores, quando o corpo está supersaturado com gases, emergir pode levar ao risco de doença de descompressão.
Aplicações supersaturadas
No campo farmacêutico, soluções supersaturadas têm aplicações práticas. Ao criar uma solução supersaturada de um medicamento, o medicamento pode ser tomado na forma líquida. Esse estado supersaturado do fármaco pode promover a absorção no corpo, e mesmo fármacos tomados na forma cristalina podem formar um estado supersaturado no corpo. Esse fenômeno é chamado de supersaturação interna e, usando ferramentas para identificar soluções supersaturadas, os ecologistas marinhos podem estudar a atividade de organismos e populações para determinar a produtividade biológica de uma região.
Quanto à ciência atmosférica, a existência da supersaturação é reconhecida desde a década de 1940. Quando a troposfera está supersaturada com vapor de água, a chance de congelamento da água aumenta. Isso revela a importância dos fenômenos de supersaturação na meteorologia e na ciência ambiental.
Quando as moléculas de água estão em um estado supersaturado, a umidade relativa pode às vezes chegar a mais de 100%, um fenômeno que os cientistas ainda precisam explorar em profundidade.
Soluções supersaturadas não apenas inspiram o entusiasmo dos cientistas pela pesquisa, mas também revelam a lógica por trás de muitos fenômenos misteriosos na natureza. Quais são as leis e os mecanismos operacionais das reações nesses estados extremos?
