Equilibrio y solubilidad

Introducción al equilibrio heterogéneo

I.Q. Manuel Arturo Caballero Rdz. Campus Monterrey Norte

Universidad del Valle de MéxicoEscuela de Ciencias de la SaludQuímico Farmaco Biotecnólogo

Equilibrio Heterogéneo

Equilibrios sólido-líquido

• Un equilibrio heterogéneo es aquél que consta de dos fases: una sólida y otra en disolución acuosa que contiene iones que están presentes en la fase sólida.

• Las reacciones de precipitación son aquellas que tienen lugar entre iones en disolución para formar sustancias insolubles.

Equilibrio sólido-líquido

• Solubilidad de un soluto en un solvente es la concentración, en mol/L, que tiene el soluto dentro del disolvente cuando la disolución está saturada, medida a una temperatura determinada.

• Es por tanto, la concentración máxima que se puede disolver a esa temperatura.

Equilibrio sólido-líquido

• Sales solubles: Están totalmente disociadas en sus iones. Son aquellas que pueden mantener, en solución acuosa saturada una cantidad mayor de 0.01 moles disueltos por litro.

• Sales insolubles: Aquellas que alcanzan un equilibrio mediante la Kps. Son aquellas que en solución acuosa saturada tienen disuelto menos de 0.01 moles por litro.

Equilibrios de producto de solubilidad

• Cuando mezclamos dos soluciones en las que existen iones susceptibles de formar una sal insoluble y en concentración suficiente, se observa que la precipitación se produce instantáneamente.

Equilibrios de producto de solubilidad

• Este precipitado de yoduro de plata está en equilibrio con sus iones I- y Ag+, de modo que la concentración de éstos en la disolución acuosa dependerá de su solubilidad.

• De esta manera, aplicando la ley del equilibrio químico

Equilibrios de producto de solubilidad

• Como la concentración de la sal sin disolver es constante, decimos que Kc[AgI] = Kps; y por lo tanto la expresión anterior toma esta forma Kps = [Ag+

(ac)][I-(ac)].

• A la constante Kps se le llama producto de solubilidad de la sal.

• Si [Ag+(ac)][I-

(ac)] < Kps, no se producirá precipitado y no habrá equilibrio.

• Si [Ag+(ac)][I-

(ac)] > Kps, en este caso se producirá ↓ hasta que se igualen ambos términos.

Actividad

• Ejercicio 21: Escribe la expresión del producto de solubilidad de las siguientes sales:– PbI2

– Ca3(PO4)2

– Al(OH)3

– Ag2S

Solubilidad y Kps

• Llamemos s a la cantidad de sal sólida que pasa a la disolución.

• Normalmente esa s es una solubilidad medida en g/L o en mol/L.

• Para sales tipo AB, como el AgCl, tenemos:

Solubilidad y Kps

• Para sales tipo AB2, como el ZnCl2, tenemos:

Solubilidad y Kps

• Para sales cualesquiera AxBy:

Actividad

• Ejercicio 22: El producto de solubilidad del cloruro de plata vale 1.7x10-10 a 25 °C. Indique si se formará precipitado al añadir a 1 L de disolución 0.01 M de AgNO3, 100 mL de una disolución 1.00 M de NaCl.

– 8.3x10-4, sí producirá ↓

Actividad

• Ejercicio 23: Calcula la solubilidad del cromato de plata sabiendo que su producto de solubilidad a 25 °C es Kps = 1x10-12.

– 6.3x10-5 mol/L

Actividad

• Ejercicio 24: ¿Cuál será la relación de s con Kps para el fosfato de calcio?

Solubilidad de precipitadosAplicaciones Analíticas: Factores que afectan la

a) Efecto del ión común

• Partimos del hecho de que la Kps debe permanecer constante.

• Al aumentar la [ ] de uno de los iones que forman el ↓, la [ ] del otro debe disminuir para que Kps siga constante.

• Este fenómeno es conocido como el efecto del ión común.

• Se usa para reducir la solubilidad de muchos ↓, o para precipitar totalmente un ión usando un exceso de agente precipitante.

a) Efecto del ión común

• Ejercicio 25: A 298 K la solubilidad del CaBr2 es de 2.0 x 10-4 mol/L. a) Calcula el Kps del bromuro de calcio a esa temperatura. b) Explica qué efecto se debe esperar si a 1 L de disolución saturada de bromuro cálcico se le añaden 10 mL de una disolución de KBr de la misma concentración.

b) Efecto de la acidez (pH)

• Si se disminuye la [ ] de algunos de los iones que forman el ↓ hasta el punto en el que el producto de sus [ ] no supere la Kps, el ↓ se disolverá.

• Esta [ ] puede disminuir por la formación de un ácido débil o la formación de una base débil.

• Ejemplifiquemos esto con un caso.

b) Efecto de la acidez (pH)

• Ejemplo: Si queremos disolver un ↓ de CaCO3 añadimos un ácido fuerte (HCl, H2SO4, etc.) para formar el ácido carbónico.

CaCO3(s) Ca+2 + CO3-2 Ks = [Ca+2][CO3

-2]

H2CO3 2H+ + CO3-2 Ka = 4.3 x 10-7

Al añadir el ácido fuerte, aumenta la cantidad de H+, y los carbonatos inician un equilibrio con ellos. Como el equilibrio entre H+ y carbonatos es de Ka pequeña (10-7), los CO3

-2 van desapareciendo de la solución para formar H2CO3. El ↓ por tanto, se disuelve.

b) Efecto de la acidez (pH)

Además, el ácido carbónico se volatiliza según la rx’n:

H2CO3 CO2(g) + H2O

Lo cual sigue favoreciendo la disolución del ↓.

De esta manera también se pueden disolver ↓ básicos como el hidróxido magnésico:

Mg(OH)2(s) Mg+2 + 2OH-

Al añadir el ácido fuerte se forma H+ + OH- H2O, la cual tiene una Kw muy baja (10-14) y por lo tanto va retirando los iones OH- disueltos. Como consecuencia (aplicando Le Chatelier) se disolverá el ↓.

c) Formación de complejo estable

• Otro método bastante utilizado para disolver ↓ es mediante la formación de iones complejos estables.

• De esta forma se pueden disolver ↓ de AgCl, AgI, etc.

Constantes de formación de complejos estables a 25 °C.

c) Formación de complejo estable

A un ↓ de Ag se le puede agregar NH3 para formar un ion complejo entre el catión central plata y el ligando NH3.

d) Efecto redox

• El efecto redox en la solubilidad de ↓ se debe a que algunos de los iones que los forman pueden sufrir oxidaciones o reducciones, con lo que su [ ] disminuirá, desplazando el Eq para mantener Kps.

• Como ejemplo podemos poner al CuS. Éste no se disuelve en HCl, sino en HNO3 diluído, porque ocurre un efecto de oxidación.

• Al precipitar el S°, desaparece el S-2 por lo que se desplaza el equilibrio hasta la disolución del ↓.

Actividad

• Ejercicio 26: ¿Qué volumen de disolución saturada de cloruro de plomo (II) [Kps = 1.70 x 10-5] se puede preparar con 1 gramo de dicha sal?

– V =221 mL

• Ejercicio 27: Se tiene una disolución saturada de fosfato de plata [Kps = 1.0 x 10-18]. (a) Calcula la solubilidad de dicha sal expresada en g/L. (b) El volumen de disolución que sería preciso evaporar para obtener un residuo de 11.8 mg de dicha sal.

– (a) 5.8x10-3 g/L (b) 2.03 L

Actividad

• Ejercicio 28: A temperatura ambiente una disolución saturada de sulfato de calcio contiene 1.02 g de la sal en 1.5 L de solución. (a) Calcula el Kps del CaSO4. (b) Determina si se producirá al mezclar 10 mL de disolución de K2SO4 0.1 M con 30 mL de disolución de CaCl2 0.01 M.