Método para el cálculo de la solubilidad de un compuesto poco soluble. Factor pH

in StemSocial11 months ago (edited)

¡Saludos estimados amigos!

En post anteriores hemos visto como la solubilidad de los precipitados, o compuestos pocos solubles se ve influenciada por varios factores tales como la temperatura, la adición de un ion común, la presencia de electrolitos, agentes complejantes y el pH.

Básicamente nos enfocaremos en el factor pH, ya que muchos métodos analíticos se llevan a cabo en soluciones amortiguadas a un determinado valor.

portada 3.jpg
Fuente: @yusvelasquez

Influencia del pH en la solubilidad de las sales

En el caso particular de una sal que contenga un anión con propiedades básicas que provenga de ácidos débiles o un catión con propiedades ácidas que provenga de bases débiles su solubilidad dependerá del pH de la solución, tales como los oxalatos, carbonatos, sulfuros, fosfatos. Esto debido a que tenderá a aumentar por el desplazamiento del equilibrio.

equilibrios.jpg

Ahora bien, a nivel de laboratorio muchas veces se emplean soluciones acuosas que contienen varios iones que pueden interactuar entre sí, y cómo vemos en la imagen se llegan a producir otros equilibrios simultáneamente con la disociación de la sal, por lo que no resulta igual calcular la solubilidad de un compuesto omitiendo estos equilibrios adicionales que tomarlos en consideración. Sin embargo, puede resultar un poco complicado por lo que detallaremos el método de equilibrios múltiples para su resolución.

Fundamentos del método:

Se basan en desarrollar ecuaciones independientes dependiendo del número de reactivos de cada caso en particular, las cuales incluyen las expresiones de la constante de equilibrio, la ecuación de balance de masa y la ecuación del balance de carga.

Expresión de la constante de equilibrio: va a depender de cada compuesto, de la reacción de disociación, su estequiometría y su valor se encuentra tabulado.

Ecuación de balance de masa: partiendo de la información que se tenga de la solución y de los equilibrios que se establecen, se relaciona la concentración de las distintas especies en el equilibrio y su concentración analítica.

Ecuación de balance de carga: debido a que las soluciones de electrolitos son eléctricamente neutras, se puede expresar de la siguiente manera:

núm de moles /L de carga positiva = núm de moles/L carga negativa

Pasos del método

En forma general, los problemas donde intervengan varios equilibrios se pueden resolver siguiendo los pasos que a continuación se muestran:

metodo 2.jpg

Aplicación del método

Consideremos por ejemplo, el caso del oxalato de calcio, y calculemos la solubilidad en una solución con un pH contante de 4.00 y cuya [H3O+] es 1x10-4

En primer lugar vamos a calcular la solubilidad de la sal en agua pura, sin tomar en cuenta los distintos equilibrios que se dan en la solución de la siguiente forma y así podremos comparar los resultados.

1.4.jpg

Ahora calculemos la solubilidad de la sal siguiendo los pasos del método
Paso 1: Escribir la reacción de disociación de la sal y todos los equilibrios involucrados .

reacciones.jpg

Paso 2 : Escribir la expresión de la constante para todos los equilibrios con sus valores tabulados respectivamente según la bibliografía consultada.

2B.jpg

Paso 3: Definir lo que se busca en términos de concentración de equilibrio.
En este caso la concentración del oxalato de calcio es igual a la concentración molar analítica del ion calcio, y se expresa:

Solubilidad CaC2O4 = [Ca+2]

Paso 4: Escribir la expresión del balance de masa
Como vemos en los equilibrios, la única fuente que nos proporciona calcio es la disociación del oxalato de calcio y estequiométricamente es igual a la concentración del oxalato:

[Ca+2] = [C2O4 -2]

Sin embargo, como el oxalato participa en otras reacciones y la expresión se escribe entonces como:

Ecuación 4 [Ca+2] = [C2 O4-2] + [HC2O4-] + [H2C2O4]

Paso 5: Escribir la expresión del balance de carga.
En este caso, se nos plantea que la solución se mantiene con un pH de 4.00 sin embargo, no se detalla la especie por lo que no se cuenta con la información requerida para realizar el balance de carga.

Paso 6: Verificar si es posible la resolución del problema.
Debemos en este punto, verificar el número de incógnitas y de ecuaciones planteadas para saber si se podrá obtener una solución. Si contamos podemos observar que se tienen 4 incógnitas que se presentan en la expresión del balance de masa y se cuenta con 4 ecuaciones por lo que se puede seguir resolviendo el problema.

Paso 7. Realizar las aproximaciones pertinentes.
En este caso no es necesario realizar aproximaciones ya que se puede resolver directamente.

Paso 8. Resolver las ecuaciones planteadas.
A partir de la ecuación 1 se despeja [C2O4 -2]

8.1.jpg

A partir de la ecuación 2 se despeja [HC2O4-]

4.jpg

A partir de la ecuación 3 se despeja [H2C2O4]

5.png

Se sustituyen las concentraciones [C2O4 -2] , [HC2O4-], [H2C2O4] en la ecuación 4

6.jpg

Paso 9: Responder la incógnita planteada.

Solubilidad CaC2O4 = [Ca+2] = 7x10-5

Como podemos observar la solubilidad del oxalato del calcio en una solución de agua pura es de 4.12x10-5 M, sin embargo al realizar el cálculo cuando el pH de la solución bajó a 4.00 y tomando en cuenta todos los equilibrios involucrados, la solubilidad de la sal aumentó a 7x10-5 M por lo cual se evidencia el desplazamiento del equilibrio.

Cabe destacar la importancia de la aplicación del método de equilibrios múltiples para el cálculo de este tipo de compuestos ya que se toman en cuenta todos los equilibrios y especies involucradas así como también se obtiene un resultado más exacto.


¡Espero les sea útil la información que aquí les he presentado, hasta una próxima oportunidad!


Referencias

Skoog, W. (2000). Química Analítica. Mc Graw Hill.
Harvey, D.(2002). Química Analítica moderna. Mc Graw Hill.

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Me acuerdo que estos calculos los hacia en el laboratorio y a veces me aburria hacerlos porque no soy fanatico de la quimica analitca y exacta, a veces hacia cosas peligrosas u fabricaba explosivos jajajja

Hola @dobro2020!
Una buena manera de realizar los cálculos es diseñando tu hoja de calculo y que se pueda adaptar a varios compuestos, siempre y cuando se tenga conocimiento del principio del método, las reacciones involucradas y el análisis de los resultados. Gracias por comentar!