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Tema 9. Equilibrio de Precipitación
1. Producto de solubilidad
Cuando a una cantidad determinada de disolvente se añaden cantidades sucesivas de soluto se llega a un punto en el que ya no se disuelve más soluto.
En este momento se dice que el disolvente esta saturado de soluto y la disolución estable formada es una disolución saturada.
Se denomina precipitación a la aparición de una fase sólida en el seno de una disolución, recibiendo el nombre de precipitado el producto sólido que se origina.
Solubilidad se define como la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad de disolvente dada a una temperatura definida, es decir, la concentración de soluto de una disolución saturada. Suele expresarse en moles o en gramos de soluto por litro de disolución.
El proceso de disolución es un equilibrio dinámico
Los procesos de disolución y precipitación son dos proceso inversos, que se dan a la vez estableciéndose un equilibrio dinámico.
Cuando se prepara una disolución sobresaturada, antes o después se alcanzará el equilibrio mediante la precipitación del soluto sólido.
Cuando una disolución insaturada entra en contacto con una sal sólida, el equilibrio se alcanzará por disolución de parte de la sal.
Disoluciones sobresaturadas son aquellas disoluciones en las que la nucleación aun no ha tenido lugar de forma significativa, esto explica porque la adición de un cristal, algún arañazo o incluso polvo del ambiente pueden actuar como núcleos produciéndose el rápido crecimiento de cristales en la disolución.
El estado de una sal precipitada que se deja en contacto con una disolución saturada, cambia con el tiempo, en un periodo que puede ir de minutos a días los pequeños cristales se disuelven a la vez que van creciendo cristales de mayor tamaño.
Esta propiedad conocida como “digestión del precipitado” puede aprovecharse para obtener cristales de tamaño necesario para filtrarse fácilmente de la disolución sobrenadante.
La disolución de un gas es también un proceso de superficie que tiene lugar en la interfase gas-disolución.
Las disoluciones de gases se aproximan más rápidamente al equilibrio cuando la disolución se agita ya que de este modo el área de contacto o interfase aumenta.
En los acuarios por ejemplo, se utilizan sistemas de burbujeo continuo para mantener la presión parcial del oxígeno disuelto en el mismo.
Disolución de gases en líquidos. Ley de Henry
Los gases se disuelven en líquidos formando disoluciones, esta disolución es un proceso de equilibrio y por tanto se puede escribir una constante de equilibrio.
El equilibrio entre oxígeno gas y oxígeno disuelto en agua sería: O 2 (aq) O 2 (g)
( )
( )
c O
p O La constante de equilibrio K^
El valor de la constante de la ley de Henry depende de la temperatura. La constante aumenta al aumentar la temperatura, como consecuencia la solubilidad de los gases disminuye al aumentar la temperatura. Un ejemplo lo encontramos cuando calentamos agua. Las burbujas de gas que aparecen en los lados del recipiente por debajo del punto de ebullición del agua, son burbujas de aire. El agua está saturada de aire a bajas temperaturas. Cuando aumenta la temperatura la solubilidad del aire disminuye. La adición de agua destilada o hervida a una pecera puede causar la muerte de los peces por asfixia
El descenso de la solubilidad al aumentar la temperatura es también un ejemplo del principio de Le Chatelier. El cambio de entalpía de la reacción de disolución de la mayor parte de los gases es negativo, es decir, la reacción es exotérmica. Al aumentar la temperatura el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, es decir, en el sentido de eliminar el gas de la disolución.
O 2 (g) O 2 (aq)
Solubilidad de sólidos iónicos en agua
El agua es un excelente disolvente para muchos compuestos, algunos de los cuales se disuelven como moléculas, mientras que otros llamados electrolitos se disocian en agua no como moléculas neutras sino como iones, como es el caso de los sólidos iónicos muy solubles en agua.
El sulfato de calcio (yeso) es una sustancia poco soluble en agua. Sin embargo cuando el agua terrestre entra en contacto con yeso este se disuelve parcialmente originando iones calcio e iones sulfato en la disolución. El problema aparece cuando esta agua se utiliza por ejemplo en sistemas de refrigeración por evaporación en centrales eléctricas, porque el sulfato de calcio del agua puede precipitar.
El proceso puede expresarse según el siguiente equilibrio:
CaSO 4 .2H 2 O Ca2+(ac) + SO 4 2-(ac)
La solubilidad de la sal de acuerdo con la estequiometría de la reacción será:
m
B n
A S
m n
La disociación de un mol de AnBm produce n moles de Am+^ y m moles de Bn-
La solubilidad molar es el número de moles de soluto que se disuelven al formar un litro de una disolución saturada.
El producto de solubilidad es la constante del equilibrio que se establece entre un soluto sólido y sus iones en una disolución saturada.
Esto hace que si disminuye la concentración de alguna o de todas las especies iónicas se disolverá más sólido para restablecer el equilibrio.
Por otra parte, si se aumentan las concentraciones iónicas pasarán al estado sólido parte de ellas, es decir, precipitaran para restablecer el equilibrio.
Sabiendo que la solubilidad del Cu(IO 3 ) 2 en agua vale 3,24.10-3^ mol/l
- a 25 ºC; calcular el valor de Kps a dicha temperatura.
Kps = 1,36 × 10 -
Cu(IO 3 ) 2 (s) Cu2+(ac) + 2IO 3 - (ac)
Kps = [Cu2+][IO 3 - ]^2
[Cu2+] = s [IO 3 - ] = 2[Cu2+] = 2s
Kps = s (2s)^2
Kps = 4s^3
Kps = 4 × (3,24 × 10 -3)^3
Sabiendo que el producto de solubilidad del hidróxido de magnesio es 8,9.10-12^ calcular su solubilidad expresada en g/l y el pH de la disolución saturada.
pH = 14 – pOH = 10,
Mg(OH) 2 (s) Mg2+(ac) + 2OH-(ac)
Kps = [Mg2+][OH-]^2
Kps = s (2s)^2
Kps = 4s^3 s = 1,30^ ×^10 -
3
1 ps 4
K s (^)
PM = 58 g/mol s = 1,30 × 10 -4^ mol/l × 58 g/mol s = 7,57 × 10 -3^ g/l
[OH-] = 2s [OH-] = 2 × 1,30 × 10 -^4 mol/l = 2,62 × 10 -^4 mol/l pOH = 3,
Compuestos Solubles Excepciones importantes
Compuestos que contienen NO^3
Cl-^ Sales de Ag+, Hg 2 2+^ y Pb2+
Br-^ Sales de Ag+, Hg 2 2+^ y Pb2+
I-^ Sales de Ag+, Hg 2 2+^ y Pb2+
SO 42 -^ Sales de Ca+2,Sr2+,Ba2+, Hg 2 2+^ y Pb2+
La solubilidad de las sales iónicas depende del catión y del anión que forman la red.
La siguiente tabla recoge los productos de solubilidad de los compuestos iónicos en agua, dependiendo del anión:
Compuestos Insolubles Excepciones importantes
Compuestos que contienen S^2 -^ Sales de NH^4
+, los cationes de metales alcalinos y Ca+2,Sr2+,Ba2+
CO 32 -^ Sales de NH^4
- (^) y los cationes de metales alcalinos
PO 43 -^ Sales de NH 4 +^ y los cationes de metales alcalinos
OH-^ Compuestos de^ los cationes de metales alcalinos, Ca+2,Sr2+,Ba2+
La solubilidad de una sustancia cambia conforme lo hacen las concentraciones de otros solutos, por ejemplo la solubilidad del Mg(OH) 2 cambia cuando se modifica el pH de la disolución.
En cambio el producto de solubilidad tiene un único valor que depende de la temperatura.
En la figura se observa como evoluciona la solubilidad de una sal poco soluble AB, la cual se forma por adición de B–^ a una disolución de A+.
KPs [B]
S
olubilidad
Exceso de A (no hay prec ipitado)
- (^) Exceso de B (Aparece precipitado)
Solubilidad y pH
La solubilidad de cualquier sustancia cuyo anión es básico se ve afectada en alguna medida por el pH de la disolución.
Por ejemplo, consideramos Mg(OH) 2 cuyo equilibrio de solubilidad es:
Mg(OH) 2 2OH–(ac) + Mg2+(ac)
K Ps = [OH
-
]^2 [Mg2+] = 1,8.10-^11
En una disolución saturada de hidroxido de magnesio el pH es de 10,52 y la solubilidad de Mg2+^ es [Mg2+] = 1,7.10-4^ M
Si tenemos Mg(OH) 2 sólido en equilibrio con una disolución amortiguadora a un pH más ácido de 9,0 en este caso el pOH = 5,0 es decir, [OH–^ ] = 1,0.10-
Sustituyendo este valor en la expresión del producto de solubilidad obtenemos:
KPs = [OH–^ ]^2 [Mg2+] = 1,8.10-^11
[1,0.10-5]^2 [Mg2+] = 1,8.10-
[Mg2+] =1,8.10-11^ / [1,0.10-5]^2 = 0,18 M
Puede observarse que el hidróxido de magnesio es muy soluble en una disolución de este tipo.
Si la concentración de OH–^ se redujese aun más, haciendo la disolución más ácida, la concentración de Mg2+^ tendría que aumentar ya que el producto de solubilidad es constante
Es decir, tendría que aumentar para conservar la condición de equilibrio. Por tanto, el hidroxido de magnesio se disolverá si se añade suficiente ácido.
