Capítulo 17. Equilibros de Solubilidad.pdf

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TERCERA PARTE CAPÍTULO 17 I N LA APLICACIÓN T R O D Equilibrios U C C I Ó de solubilidad N TEMARIO CON ESCEPTICISMO: CON ESCEPTICISMO: ¿Solubilidad o magia? 609 ¿Solubilidad o magia? SOLUBLE O INSOLUBLE 610 ¿Cómo se cuantifica la solubilidad? 611 Cuando una cosa se disuelve en otra parece que desaparece. Aparente- ¿CÓMO SE RESUELVE?: Solubilidad del AgCl C 614 mente ya no está, o cambió. Algunos niños dicen que la sal se funde un A ¿CÓMO SE RESUELVE?: Solubilidad de PbCl2 momento antes de disolverse en agua, que por eso se disuelve, porque P 614 Í se transforma en líquido antes de disolverse. T TE TOCA A TI: Producto de solubilidad del cromato de plata 614 A nosotros la solubilidad es uno de esos fenómenos que dejó de U ¿CÓMO SE RESUELVE?: Solubilidad en g/L sorprendernos hace tiempo por cotidiano y normal, pero si lo pensamos L 615 O como niños y niñas pequeños, quizás nos asombremos. TE TOCA A TI: Solubilidad a partir del producto de solubilidad 615 Para las cosas que son solubles en agua, como la sal por ejemplo, 17 EN EQUIPO: ¿Se disuelve? 615 lo que ocurre cuando las mezclamos es que una “se oculta” en la otra. DESCÚBRELO TÚ: Factores que afectan la El agua, ahora salada, parece la misma que antes, pero no lo es. Si tra- solubilidad 1 615 DESCÚBRELO TÚ: Factores que afectan la tas de imaginarte cómo ocurre esto a nivel microscópico, podrás hablar solubilidad II 616 de iones y de interacción de cargas, de disolventes polares y no polares. C Factores que afectan la solubilidad 616 A En resumen, podrás explicar la solubilidad con algún modelo que te ha- P El efecto del ion común 616 TE TOCA A TI: Efecto del ion común 617 brán enseñado en algún momento. Como tienes un modelo y explicas el Í El efecto del pH 617 fenómeno, la solubilidad no te sorprende. Pero cuando tratas de expli- T ¿CÓMO SE RESUELVE?: pH de precipitación de U car la idea de que la solubilidad es un fenómeno físico, porque no hay L un hidróxido 618 TE TOCA A TI: pH de precipitación 618 reacción, porque en cualquier momento y por medios físicos puedes O TE TOCA A TI: Solubilidad y pH 619 volver a tener lo que alguna vez disolviste, puede empezar a ser com- EN LA RED: El pH y los cultivos 619 3 plicado. ¿Qué pasa cuando a la disolución de agua salada la quieres EN EQUIPO: El efecto del ion común y del pH 619 volver a separar? La calientas y evaporas el agua pero, ¿por qué al eva- CTS Salud: Solubilidad, acidez y caries dental porar el agua la sal se separa? ¿Por qué la adición del calor hace que las 620 cosas se “des-disuelvan”? PROBLEMAS Y ACTIVIDADES 620 BIBLIOGRAFÍA 621 Figura 17.1 A simple vista, el agua de mar no parece tener tantas cosas disueltas. 609 610 T E R C E R A PA R T E La aplicación Por ejemplo, tienes dos montones de polvo blanco, muy parecidos. Uno es muy solu- ble en agua y el otro no. Uno es harina y el otro azúcar pulverizada. ¿Cuál es la explica- ción? Fácil. La harina es no polar, el azúcar es un compuesto polar. Lo polar disuelve a lo polar, por lo tanto el agua disuelve al azúcar y no a la harina. ¡Muy bien! Pero, ¿se puede decir que la harina es completamente insoluble en agua, o habrá alguna forma de hacerla soluble? ¿Por qué lo polar se disuelve en lo polar? ¿Y lo no polar en lo no polar? ¿Por qué existen compuestos iónicos, como el que forma parte de los dientes, que no se disuelven en agua? ¿Qué significa realmente que una sustancia sea soluble en otra? ¿En cuántas di- soluciones habrá sustancias “ocultas”? ¿Por qué hay sustancias polares que son más solu- bles en agua que otras sustancias también polares? ¿Por qué la acidez ayuda a disolver las cosas en agua? ¿Qué otros factores se pueden controlar para favorecer la solubilidad? SOLUBLE O INSOLUBLE En el capítulo 7 dijimos que una disolución era una mezcla homogénea en la que las par- tículas de la fase dispersa (soluto) tienen el tamaño de átomos o moléculas. Por otro lado, en el capítulo 14 estudiamos que era posible disolver a un soluto S en un disolvente D si las atracciones entre las partículas de S y D eran mayores que las atracciones entre las partículas de D entre sí y las de S entre sí. En el presente capítulo analizaremos de manera particular los casos en los que el di- solvente es el agua y el soluto es un sólido, particularmente una sal. Trataremos primero algunos aspectos cualitativos del proceso de solvatación, a nivel microscópico y luego veremos cómo se evalúa la solubilidad cuantitativamente. Hay trillones de sustancias químicas, naturales algunas, sintéticas otras, ¿podremos Figura 17.2 separarlas en dos grandes categorías, las que son solubles en agua y las que no? Hay trillones de sustancias Leamos con detenimiento la definición de solubilidad que vimos en el capítulo 7: químicas, pero podemos clasificarlas en dos grupos: las solubles en agua y las La solubilidad de un soluto particular es la cantidad máxima de ese soluto que se insolubles en agua. puede disolver en una cierta cantidad de disolvente a una determinada temperatura. En particular, la solubilidad en agua acostumbra expresarse como los gramos de sustancia que logran disolverse en 100 mL de agua a 25°C. Para algunas sustancias, la solubilidad en agua es mayor que para otras, o lo que es lo mismo, hay unas sustancias más solubles que otras. La pregunta ahora es ¿a qué pue- den deberse las diferencias en solubilidad? El fenómeno que nos interesa, la solvatación de una sal iónica por el agua, se repre- senta mediante la siguiente reacción (en la que por simplicidad, elegimos el caso de una sal simple como MX): MX (s)  H2O → M (ac)  X (ac) Para entender por qué la solubi- lidad de algunas sustancias es tan distinta a la de otras, escribamos es- te proceso en dos pasos, planteando Figura 17.3 un ciclo termodinámico semejante a Ciclo termodinámico para hacer en dos pasos la sol- lo que hicimos en el capítulo 8 (ver vatación de los iones de figura 17.3). una sal.  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 611 Para que se lleve a cabo el primer paso, la ruptura de la red cristalina, I MX(s) → M (g)  X(g) N T R es necesario suministrar energía. La energía necesaria para romper la red es igual a la O energía de red cristalina (ver capítulo 15), pues hay que vencer las fuertes atracciones D electrostáticas que mantienen unidos a los iones en el sólido cristalino. U C En cambio, al llevarse a cabo el segundo paso, la hidratación de los iones, C Figura 17.4 I Las estalactitas en las cue- M (g)  X(g)  H2O (l) → M (ac)  X(ac) Ó vas son un ejemplo de N equilibrios de solubilidad- se desprenderá energía, pues se establecerán atracciones electrostáticas tipo ion-dipolo precipitación de las sales de calcio. entre los iones y el agua. El H de esta reacción lleva el nombre de cambio de entalpía estándar de hidratación de los iones. C Con esto bajo consideración, podemos decir que para que el proceso de solubiliza- A P ción sea favorecido energéticamente, la entalpía desprendida en la hidratación de los io- Í nes debe ser mayor a la entalpía requerida para romper la red cristalina; de esto depende T que una sal sea soluble o insoluble en agua. U L El problema es que una elevada carga y/o un pequeño radio iónico, favorecen un va- O lor grande de la energía de red cristalina, pero también provocan elevados valores del cambio de entalpía de hidratación. Por esta razón resulta complicado reconocer si el pro- 6 ceso global, que es la suma de estas dos reacciones para alguna sal en particular, estará favorecido o desfavorecido termodinámicamente. Por lo mismo algunas sales son fácil- mente solubles, mientras que otras, aparentemente similares, no lo son. C A ¿Cómo se cuantifica la solubilidad? P Í Para muchas sustancias, los valores de la solubilidad están reportados en tablas. Una for- T U ma muy común de encontrar los valores que describen cuantitativamente la solubilidad de L un soluto es con el máximo número de gramos de soluto que pueden disolverse en una O cantidad dada de disolvente. A partir de este dato, si conocemos la masa molecular de es- 17 ta sustancia, podremos expresar su solubilidad en moles por litro, a lo que se le conoce como solubilidad molar de un compuesto. Un soluto formado por iones, al disolverse en agua da lugar a cationes hidratados y aniones hidratados. En el caso particular (aunque muy común), de las sales iónicas que C son sólo ligeramente solubles, se suele cuantificar su solubilidad mediante el estudio del A siguiente equilibrio: P Í MX(s) M(ac)  X(ac) T U L Se puede escribir la constante de equilibrio O 3 [M][X] K   [MX] Como ya se vio en el capítulo 10, cuando en un equilibrio participa alguna sustancia C sólida, la concentración de ésta no aparece en la expresión de la constante de equilibrio, A ya que permanece constante. Esto ocurre con la concentración de MX, por lo que la ex- P Í presión queda T U K[MX]  Kps  [M][X] L O Para cualquier equilibrio de solubilidad, la concentración del sólido no se incluye. A 4 las constantes asociadas a los equilibrios de solubilidad se les conoce como constante del producto de solubilidad, o simplemente producto de solubilidad y se les denomina Kps. 612 T E R C E R A PA R T E La aplicación El producto de solubilidad de un compuesto iónico, es el producto de las concen- traciones molares de los iones constituyentes, cada uno elevado a la potencia de su coeficiente estequiométrico en la ecuación de equilibrio. Por ejemplo, si agregamos un poco de disolución de nitrato de plata, AgNO3 (en la cual hay disueltos iones Ag y iones NO3) a una disolución de NaCl (en la que se en- cuentran disueltos iones Na y iones Cl) se forma un sólido poco soluble en agua, el cloruro de plata, AgCl, lo que es evidente por la turbidez blancuzca que aparece donde antes había una disolución transparente. Sin embargo, no todos los iones Ag se encuentran formando AgCl sólido. Algunos están disueltos y establecen el siguiente un equilibrio: AgCl(s) Ag(ac)  Cl(ac) Para el cual se puede escribir una constante de equilibrio, [Ag][Cl] K   [AgCl] o bien K[AgCl]  Kps  [Ag][Cl] El caso del AgCl es de los más simples; para sales con fórmulas más complicadas, las constantes del producto de solubilidad serían: PbI2 (s) Pb2(ac)  2 I(ac) Kps  [Pb2][I]2 Ag2SO4 (s) 2Ag(ac)  SO42(ac) Kps  [Ag]2[SO42] Mg3(PO4)2 3Mg2  2 PO43 Kps  [Mg2]3[PO43]2 Los valores de las constantes del producto de solubilidad que se encuentran en las ta- blas, son para sales poco solubles y normalmente tienen valores muy por debajo de la unidad, como se observa en la tabla 17.1 A partir de los valores de Kps podemos deducir la concentración de cada uno de los iones presentes cuando se precipita el sólido. A la concentración de cada uno de los iones que permanece en solución cuando se precipita el sólido se le llama solubilidad. Figura 17.5 La sal yoduro de plata es em- pleada también para “sembrar” las nubes para propiciar que llueva o que nieve más. Son va- rias las sustancias que pueden modificar el clima mediante su inyección a las nubes, entre otras se encuentran el hielo seco y el yoduro de plata.  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 613 Figura 17.6 I El yoduro de plata tiene una constante de produc- N to de solubilidad muy pequeña de 8.3  1017 T por eso en cuanto se encuentran en una disolu- R ción los iones plata y los iones yoduro, y su con- O centración crece por encima de 9.11  109 M, D enseguida precipita el yoduro de plata. U C C Por ejemplo, para el yoduro de plata (AgI) a 25°C, el Kps es 8.31017. I Ó Kps  8.3  1017  [Ag][I] N Se acostumbra no escribir las unidades de la Kps, ya que dichas unidades son obvias. Por ejemplo, cuando la sal se disocia en dos iones monocargados, como es este caso, las C unidades de la Kps son M 2. A La concentración de los iones que permanecen en disolución es, despejando de la P ecuación anterior, Í T U [Ag]  [I] (8.3  1017)1/2 M L O o bien [Ag]  [I]  (9.11  109) 6 La solubilidad del Ag o del I es de 9.11  109 M. De aquí también podemos concluir que si las concentraciones de Ag y I son ambas inferiores a 9.11  109 M, no habrá precipitación de AgI. C En la tabla 17.1 se encuentran los valores de productos de solubilidad para algunas A P sales comunes. También se incluye aquí el valor de pKs  logKps, definido de manera Í análoga al pH y el pKa. T U Tabla 17.1 L Productos de solubilidad de algunas sales poco solubles a 25°C. O Nombre Fórmula Kps pKs 17 Cloruro de plata AgCl 1.6  1010 9.8 Cloruro de plomo PbCl2 2.4  104 3.62 Cloruro de mercurio (I) Hg2Cl2 3.5  1018 17.46 C A Bromuro de plata AgBr 7.7  1013 12.11 P Yoduro de plata AgI 8.3  1017 16.08 Í Yoduro de plomo PbI2 1.4  108 7.85 T U Carbonato de magnesio MgCO3 4.0  105 4.4 L Carbonato de calcio CaCO3 8.7  109 8.06 O Carbonato de bario BaCO3 8.1  109 8.09 3 Carbonato de plomo PbCO3 3.3  1014 13.48 Hidróxido de magnesio Mg(OH)2 1.2  1011 10.92 Hidróxido de calcio Ca(OH)2 8.0  106 5.1 Hidróxido de cobre (II) Cu(OH)2 2.2  1020 19.66 C Hidróxido de hierro (II) Fe(OH)2 1.6  1014 13.8 A Hidróxido de hierro (III) Fe(OH)3 1.1  1036 35.96 P Í Hidróxido de aluminio Al(OH)3 1.8  1033 32.74 T Sulfuro de cobre (II) CuS 6.0  1037 36.22 U Sulfuro de hierro (II) FeS 6.0  1019 18.22 L O Sulfuro de plata Ag2S 6.0  1051 50.22 Sulfuro de plomo PbS 3.4  1028 27.47 4 Sulfuro de mercurio HgS 4.0  1054 53.4 614 T E R C E R A PA R T E La aplicación ¿CÓMO SE RESUELVE?: Solubilidad del AgCl Una manera de determinar experimentalmente una de Ag. Se encuentra que [Ag]  1.265  105 M. constante de un producto de solubilidad consiste en Como sabemos por la ecuación química mezclar la sal insoluble con agua, agitando por largos períodos, y luego, mediante algún tipo de un análisis AgCl(s) Ag(ac)  Cl(ac) químico o instrumental determinar la concentración de alguno de los iones que constituyen dicha sal. por cada ion Ag que se disuelve, entra en la disolu- Suele mantenerse el sistema en agitación y repetirse ción un ion Cl. La concentración de iones plata será la determinación hasta que el valor de la concentración igual a la concentración de iones cloruro, es decir: que se obtiene ya no varía, lo que asegura que se ha al- [Ag]  [Cl]  1.265  105 M canzado el equilibrio para la reacción de disolución. Consideremos un ejemplo. Se agrega cloruro de El valor de la constante del producto de solubili- plata a agua pura, agitando vigorosamente por varios dad se obtiene entonces de manera muy simple: días. Se filtra la mezcla y se analiza la disolución por absorción atómica1 para determinar la concentración Kps  (1.256  105)( 1.256  105)  1.6  1010 ¿CÓMO SE RESUELVE?: Solubilidad de PbCl2 En el caso en que el número de aniones y cationes en Sabemos por la ecuación química, que por cada la fórmula de la sal no sea igual, hay que tener cierto ion Pb2 que se disuelve, se encontrarán en la disolu- cuidado con este tipo de cálculos. Veamos un ejemplo. ción dos iones Cl, de modo que si [Pb2]  0.039M, Se agrega cloruro de plomo(II) a un litro de agua [Cl]  0.078M. Sustituyendo estos valores en la ex- pura a 25°C. Parte del sólido permanece sin disolverse presión para la constante, en el fondo del matraz. La muestra se agita durante un tiempo para asegurar que se alcance el equilibrio entre Kps  (0.039)(0.078)2  2.37  104 el PbCl2 no disuelto y la disolución. Se realiza un aná- lisis y se encuentra que la concentración de plomo es En este caso las unidades de la Kps son M 3, las de 0.039M. Calculemos el Kps para el PbCl2 cuales también nos acostumbramos a ahorrar su escritura. PbCl2(s) Pb2(ac)  2Cl (ac) Kps  [Pb][Cl]2 TE TOCA A TI: Producto de solubilidad del cromato de plata Calcula el valor de la constante del producto de solubi- alcanzar el equilibrio, la concentración de plata es de lidad para el cromato de plata Ag2CrO4, sabiendo que 1.3  104M. después de mezclar este sólido con agua y agitar hasta 1 La absorción atómica es una técnica analítica que permite cuantificar la concentración de iones metálicos en disolución.  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 615 I ¿CÓMO SE RESUELVE?: N Solubilidad en g/L T R O D Conociendo el producto de solubilidad del PbI2, ¿cuál Con esta información podemos sustituir en la ex- U es la solubilidad del Pb2 en g/L? El equilibrio de diso- presión del producto de solubilidad: C lución del PbI2 es: C I Kps  [Pb2] [I]2  [Pb2] {2[Pb2]}2  1.4  108  Ó PbI2 Pb 2 2I  4[Pb2]3 N [(1/4)(1.410 )]  1.518103 M  [Pb2] 8 1/3 De donde sabemos que por cada ion Pb2 disuelto, (1.518103 mol de Pb /L )(207 g /mol de Pb)  se habrán disuelto dos iones I, por lo tanto la concen- 0.327g/L de Pb2 C tración de iones I es el doble de la de iones Pb2, es A P decir [I]  2[Pb2] De la tabla 17.1 sabemos que Vemos que en esta sal, cuando está disuelta se tie- Í ne un máximo de 0.327 g de Pb por cada litro de diso- T Kps  [Pb2][I]2  1.4  108 lución. U L O 6 TE TOCA A TI: Solubilidad a partir del producto de solubilidad C A Calcula la solubilidad en g/L del Mg2 en una disolución saturada de Mg(OH)2, sabiendo que su producto de solu- P Í bilidad es Kps  1.2  1011. T U L O 17 EN EQUIPO: ¿Se disuelve? ¿Es posible disolver 0.7g de PbCl2, en 100mL de agua? Para este compuesto, Kps  2.4  104. C A ¿Es posible disolver 2.0g de PbCl2, en 100 mL de agua? P Í T U L O DESCÚBRELO TÚ: Factores que afectan la solubilidad 1 3 Procedimiento ¿Qué tipo de iones disminuyen la solubilidad de las Coloca en cada uno de dos vasos de precipitados, 50mL C sales poco solubles? de la disolución de PbCl2. Al primer vaso agrega 50mL de A NaNO3 1M. Al segundo, agrega 50mL de NaCl 1M. P Material Í Registra tus observaciones. T PbCl2 0.1g/100mL U NaNO3 1M L NaCl 1M ¿Qué tipo de iones disminuyen la solubilidad de las O 3 vasos de precipitados sales poco solubles? 4 Probeta de 50mL 616 T E R C E R A PA R T E La aplicación DESCÚBRELO TÚ: Factores que afectan la solubilidad 2 ¿Qué tipo de sales poco solubles pueden disolverse Procedimiento agregando ácido? Con cada una de las sales de calcio prepara una mezcla compuesta de 0.005 moles de la sal y 50 mL de agua. A cada una de estas mezclas añade poco a poco y Material con agitación constante hasta 20ml de HCl 1M hasta CaF2 observar un cambio. CaCO3 Anota tus observaciones. Ca(OH)2 Ca3(PO4)2 HCl 1M ¿Qué tipo de sales poco solubles pueden disolverse 4 vasos de precipitados agregando ácido? Probeta Factores que afectan la solubilidad Como normalmente no se tiene a una de estas sales poco solubles en agua pura, sino que suele haber otras especies químicas en la disolución, la solubilidad de dicha sal puede verse modificada sustancialmente debido a la presencia de estas otras especies que pue- den dar lugar a diversas reacciones paralelas que modifican el equilibrio de solubilidad. En esta sección analizaremos solamente dos de estos efectos: el efecto de un ion común y el efecto del pH. El efecto del ion común Consideremos una disolución saturada de fluoruro de calcio, CaF2, en la cual se ha esta- blecido el equilibrio: CaF2(s) Ca2 (ac)  2 F(ac) Kps  [Ca2][F]2  4.01011 Tomando en cuenta que por cada ion Ca2, hay dos iones F, o lo que es lo mismo, que la concentración del ion fluoruro es el doble de la concentración del ion Ca2, [F]  2 [Ca2] la solubilidad del ion Ca2 es entonces: [Ca2]{2[Ca2]}2  Kps  4.01011  4[Ca2]3 Despejándola de esta igualdad, la concentración de Ca 2 en esa disolución es 2.16  104 M. Ahora analicemos, ¿qué pasará si a esta disolución le agrego un poco de la sal NaF, que es muy soluble en agua? La ley de acción de masas (capítulo 10) nos dice que si aumenta la concentración de los productos, el equilibrio tenderá a desplazarse hacia los reactivos. En esta reacción en- tonces, un aumento en la concentración de fluoruros, desplazará el equilibrio hacia la pre- cipitación del CaF2 CaF2(s) Ca2 (ac)  2 F(ac) Se forma más precipitado si aumenta la concentración de fluoruros.  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 617 Calculemos cuál será la concentración de Ca2 si a la disolución saturada de CaF2 le agregamos fluoruro de sodio de modo que la concentración total de fluoruro sea ahora I N 0.1M. T Kps  [Ca2][F]2  4.0  1011 R O D 4.0  1011 4.0  1011 U [Ca2]     [101]2  4.0  10 9 [F]2 C C I Lo que quiere decir que la concentración de Ca2 en presencia de NaF 0.1M, es Ó 53,500 veces menor que en agua pura. (2.16  104 M / 4.0  109 M  53,500). N Esto es lo que se conoce como el efecto del ion común, que consiste en el desplaza- miento de los equilibrios causado por la adición de un compuesto que tiene un ion en común con las sustancias precipitables. En este caso, el ion común, F, se utiliza para disminuir C la solubilidad del CaF2. A P Í T U TE TOCA A TI: L Efecto del ion común O 6 Calcula la solubilidad del ion Ag en un litro de disolución saturada de AgCl a la que se le han añadido 10 gramos de NaCl. C El efecto del pH A P En muchos casos, los aniones que conforman una sal poco soluble tienen características Í T marcadamente básicas, es decir, tienen una gran afinidad por el H. El ejemplo más sen- U cillo de esta situación lo constituyen los hidróxidos. El ion OH forma sustancias poco L solubles con todos los iones metálicos excepto los de la familia 1. Veamos el ejemplo del O Cu(OH)2 17 Cu(OH)2 (s) Cu (ac)  2 OH (ac) 2  Kps  [Cu ][OH ]  2.210 2  2 20 Esto significa que el ion Cu2 tenderá a precipitar como hidróxido al encontrarse en C un medio abundante en iones OH, es decir, alcalino. Sin embargo, la ley de acción de A masas nos dice que si disminuye la concentración de alguno de los productos, el equili- P brio de desplazará hacia la derecha. En este caso particular, la adición de H al medio eli- Í T mina los OH, formando agua, lo que hace aumentar la concentración de Cu2(ac) en la U disolución. L Calculemos cuál sería la solubilidad molar del Cu2 en una disolución saturada de O Cu(OH)2 en agua pura, y comparémosla con su solubilidad en un medio amortiguado a 3 pH  7 y uno a pH  5. Como en agua pura por cada ion Cu2 disuelto, hay dos iones OH, la concentración de OH es el doble de la de Cu2, es decir C [OH]  2[Cu2] A P Sustituyendo en la expresión del producto de solubilidad Í T Kps  [Cu2][OH]2  [Cu2] {2[Cu2]}2  2.2  1020 U L De modo que, despejándola de la ecuación anterior, en agua pura la solubilidad del O [Cu2]  1.76545  107M. Si tenemos un valor fijo de pH  7, 4 [H ]  [OH ]  10   7 M 618 T E R C E R A PA R T E La aplicación podemos sustituir este valor en la expresión del producto de solubilidad y despejar [Cu2] Kps  [Cu2][OH]2  2.2  1020  [Cu2][107]2 [Cu2]  2.2  106M Si ahora hacemos pH  5, [H]  105 M y por lo tanto [OH]  109 M Kps  [Cu2][OH]2  2.2  1020  [Cu2][109]2 [Cu2]  2.2  102 M Esto quiere decir que a pH  5 la solubilidad del Cu2 es diez mil veces mayor que a pH  7. ¿CÓMO SE RESUELVE?: pH de precipitación de un hidróxido ¿Cuál será el valor de pH al que iniciará la precipita- Kps  2.2  1020  [Cu2][OH]2  101[OH]2 ción del Cu(OH) 2 , en una disolución de Cu(NO 3 ) 2 Y despejando, 0.1M? Kps  [Cu2][OH]2  2.2  1020 Este valor de Kps nos dice que cuando [OH]  4.691010 M [Cu2][OH]2 < 2.2  1022 Recordemos que no habrá formación de precipitado, y que éste se empe- [OH][H]  1014 zará a formar cuando el producto [Cu2][OH]2 alcan- De donde ce este valor. Para el caso que nos ocupa, en el que [Cu2]  1014 1014 1  101M, podemos calcular el valor de [OH] a par- [H]   [OH]   4.69  1010  2.132  10 M 5 tir del valor de Kps TE TOCA A TI: pH de precipitación ¿Cuál será el valor de pH al que iniciará la precipitación del Mg(OH)2, en una disolución de Mg(NO3)2 0.01 M, Kps  [Mg2][OH]2  1.2  1011. Un ejemplo muy importante de estos casos, en los que el pH modifica de manera im- portante la solubilidad de las sustancias, es el de los carbonatos, como el carbonato de calcio, CaCO3, principal constituyente de la piedra caliza, que forma gran parte de la cor- teza terrestre. Esta sal tiene un producto de solubilidad de 8.7  109, es decir CaCO3 (s) Ca2 (ac)  CO32(ac) Kps  [Ca2][CO32]  8.7  109  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 619 El ion carbonato que se disuelve en muy pequeñas cantidades en el agua, participa a su vez con ella en un equilibrio ácido-base, formando el ion bicarbonato: I N T CO32 (ac)  H2O HCO3(ac)  OH(ac) R O El ion bicarbonato, también es una base, y como tal, reacciona con el agua para for- D U mar ácido carbónico H2CO3, que inmediatamente se descompone en H2O y el gas CO2 C Figura 17.7 que se desprende: C Los corales marinos están I compuestos de carbonato HCO3 (ac)  H2O H2O  CO2(g)  OH(ac) Ó de calcio, el cual se ve N afectado si el pH del agua Según la ley de acción de masas, será posible desplazar a estos dos últimos equili- cambia. Ésta es una razón brios hacia la derecha, si disminuye la concentración de alguno de los productos. Una de preocupación por la so- manera de conseguir esto es agregando H, puesto que éste reaccionará con el OH for- C brevivencia de estos cora- A mando agua. Así, al disminuir la concentración de OH, estos dos equilibrios se despla- les en el mar. P zarán hacia la derecha, disminuyendo la concentración original de CO32. Í Pero recordemos que el CO32 (ac) proviene del equilibrio de disolución del CaCO3 (s) T U CaCO3 (s) Ca2 (ac)  CO32(ac) L O Si disminuye la concentración de CO32(ac), por la adición de un ácido, este equili- 6 brio se desplazará también a la derecha, favoreciendo la solubilización del CaCO3. (Ver figura 17.7 TE TOCA A TI: C A Solubilidad y pH P Í T U ¿Cuáles de las siguientes sustancias son más solubles en medio ácido que en medio básico? L O Ni(OH)2, AgCl, MgCO3, PbI2, Ca3(PO4)2. 17 Escribe la reacción de solubilización en medio ácido, para las sustancias en las que ésta se lleve a cabo. C EN LA RED: A P El pH y los cultivos Í T U Haz una investigación sobre los cationes metálicos precipitar si el pH es demasiado alto. Escribe las fór- L necesarios para el crecimiento apropiado de las plan- mulas de las especies insolubles que se formarían en O tas. Señala cuáles de ellos son más susceptibles de cada caso. 3 EN EQUIPO: C El efecto del ion común y del pH A P Í T Forma equipos de 4 personas para la discusión. El pro- sos particulares, ambas causas se podrían unificar en U blema es el siguiente: una sola. L O En este capítulo estudiamos que hay dos causas Discute con tus compañeros para qué tipo especial que afectan la solubilidad de las sales iónicas en agua: de compuestos se pueden unificar el efecto del ion co- 4 la presencia de un ion común y el pH. Para algunos ca- mún y el del pH en la solubilidad. 620 T E R C E R A PA R T E La aplicación CTS Salud: Solubilidad, acidez y caries dental Nuestros dientes están formados principalmente por un mineral conocido como hidroxiapatita, cuya fórmula es Ca5(PO4)3(OH). Esta sustancia, aunque es muy poco soluble en agua, tiende a disolverse en medio ácido, ya que con- tiene iones PO43 y OH, que son bases de Brönsted con gran afinidad por el H. La reacción de disolución de la hidroxiapatita es la siguiente: Ca5(PO4)3(OH)(s)  4H(ac) 5Ca2(ac) 3HPO42(ac)  H2O Aunque el pH normal de la saliva es cercano a la neutralidad, la presencia de azúcares puede causar un aumen- to considerable en la acidez del medio. Esto se debe a que las bacterias presentes en nuestra boca, fermentan estos azúcares, generando sustancias ácidas. Durante la primera mitad del siglo XX, en el estado de Colorado en los Estados Unidos se realizaron estudios para encontrar la causa de la baja incidencia de caries entre los pobladores de la región. Una vez que se determinó que el fluoruro disuelto en el agua potable era la causa, se promovió que éste fuera añadido al agua potable a nivel mundial. En la actualidad la concentración de fluoruro recomendada para los depósitos de agua potable es de 1mg/L. El ion fluoruro sustituye al ion OH en la hidroxiapatita, formando la fluoroapatita, Ca5(PO4)3(F), que es mu- cho menos soluble en medio ácido, puesto que el F es una base de Brönsted mucho más débil que el OH. Figura 17.8 Cuando éramos niños perdimos los dientes primarios o “de leche” y adquirimos los dientes permanentes que nos van a acompañar durante toda la vida. PROBLEMAS Y ACTIVIDADES 1. Escribe la expresión para la constante del producto de solubilidad de las siguientes sales: a) AgOH b) HgBr2 c) Tl2SO4 d) BaCO3 e) Fe2S3 f) Hg2Cl2 g) PbSO4 h) Ca(oxalato) 2. Considera disoluciones saturadas de las siguientes sales. Encuentra en cada caso, el valor de “x” que da la relación entre la concentración al equilibrio del catión y la del anión. a) BaSO4, [Ba2]  x [SO42-] b) HgBr2, [Hg2]  x [Br] c) MgF2, [F]  x [Mg2]  C A P Í T U L O 1 7 Equilibrios de solubilidad 621 d) Ag2SO4, [Ag]  x [SO42] e) Mg3(AsO4)2, [AsO43]  x [Mg2] I N f) Al(OH)3, [OH] x [Al3] T R 3. Los productos de solubilidad para las sales del problema 2, son: O D U BaSO4 HgBr2 MgF2 Ag2SO4 Mg3(AsO4)2 Al(OH)3 C C Kps  1.1  1010 1.25  1019 7.1  109 1.4  105 2  1020 1.8  1033 I Ó N Para cada compuesto, calcular la concentración al equilibrio para cada uno de sus iones. 4. Calcula el valor de la constante del producto de solubilidad para el sulfuro de manganeso (II), sabiendo que después de mezclar este sólido con agua y agitar hasta alcanzar el equilibrio, la C concentración de manganeso es 1.732  107 M. A P 5. Calcula el valor de la constante del producto de solubilidad para el fluoruro de plomo PbF2, Í sabiendo que después de mezclar este sólido con agua y agitar hasta alcanzar el equilibrio, la T concentración de plomo es de 2.1722  103 M. U 6. Calcula la solubilidad del Pb2 y la del Cl en una disolución saturada de PbCl2. L O 7. Calcula la solubilidad del ion Pb2 en un litro de disolución saturada de PbCl2 a la que se han añadido 25 gramos de NaCl. 6 8. Calcula la solubilidad del ion Cl en un litro de disolución saturada de PbCl2 a la que se han añadido 25 gramos de Pb(NO3)2, que es soluble en agua. 9. A partir del producto de solubilidad, calcula la solubilidad del Zn(OH)2 en agua pura. Calcula después su solubilidad molar en un medio amortiguador de pH  9 y uno de pH  7. C 10. Calcula el pH de precipitación del Fe(OH)3, sabiendo que su producto de solubilidad es Kps  A 1.1  1036. P Í T BIBLIOGRAFÍA U L O Brown, T.L., LeMay, H.R. Jr., Bursten, B.E., Química. La Ciencia Central, Séptima edición, Pear- son Ed. 1998. 17 Chang, R., Química, McGraw Hill Interamericana, México, 1992. http://www.gumshield.com/history/flouride.html http://www.medigraphic.com/pdfs/adm/od-2001/od015i.pdf C A P Í T U L O 3 C A P Í T U L O 4