Equilibrio de solubilidad: uso de una constante de solubilidad (Ksp) en cálculos

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Solubilidad

De vez en cuando, puede notar que su grifo no fluye tan bien o que el cabezal de la ducha está rociando de manera desigual. Tras una inspección más cercana, es posible que note que hay una “acumulación” blanca que obstruye el flujo de agua. ¿Qué hay con eso? ¿De dónde vino esta mugre? A menos que lo pongas allí, el único lugar de donde podría provenir esta acumulación es el agua misma.

Aunque parece clara, el agua que llega a nuestras casas está cargada de diferentes iones y compuestos disueltos. Cuando cambia la temperatura o la concentración de la solución, estos iones y compuestos emergen de la solución en su forma sólida. Las temperaturas o concentraciones a las que emergen estos productos químicos, o solutos, se derivan de la solubilidad de cada soluto o la capacidad de disolverse en un volumen determinado de un disolvente a una temperatura determinada.

La solubilidad de un compuesto se expresa en términos de molaridad (mol / L) y depende de la temperatura. Generalmente, el aumento de temperatura aumenta la solubilidad de una sustancia. Cuando hace correr agua fría a través de un grifo o reduce el flujo a un goteo, los químicos disueltos se vuelven menos solubles y forman sólidos, también conocido como acumulación molesta.

Una sustancia se considera soluble cuando su solubilidad es superior a 1 g por 100 g de disolvente. Esto significa que 1 g de sustancia se puede disolver y disociar completamente en iones en 100 g de disolvente. El cloruro de sodio, NaCl, es muy soluble en agua. Una sustancia se considera insoluble cuando su solubilidad es inferior a 0,1 g por 100 g de disolvente. El sulfato de calcio, CaSO4, uno de los principales ingredientes en la acumulación de agua, es insoluble en agua. Cualquier cosa intermedia se considera ligeramente soluble.

Cuando una solución de un volumen dado tiene la máxima cantidad de un sólido disuelto, se dice que está saturada . Para los compuestos solubles, la saturación se produce a altas concentraciones. Para compuestos insolubles, la saturación ocurre a concentraciones muy bajas.

Constante del producto de solubilidad

Vayamos a nuestro laboratorio virtual y hagamos algunos pequeños experimentos con la solubilidad. Para cualquier compuesto que se disuelva, sabemos que se descompondrá en sus iones constituyentes. Por ejemplo, si ponemos el compuesto AB2 en agua, se romperá en 1 ión A ^ 2 + y 2 iones B ^ -.

Mientras estos iones están nadando en solución, existe la posibilidad de que choquen entre sí y se vuelvan sólidos. Podemos mostrar la tendencia de esta reacción a ir tanto hacia adelante como hacia atrás usando una flecha de dos puntas.

Finalmente, se alcanzará un equilibrio dinámico. Podemos escribir una expresión de equilibrio para esto usando la ley de acción de masas. Si no sabe cómo hacerlo, mire el video sobre el equilibrio dinámico y la determinación del valor de K, la constante de equilibrio.

Recuerde que al escribir las leyes de acción de masas no es necesario considerar sólidos o líquidos porque sus cantidades no se pueden expresar en términos de concentración. Entonces, podemos omitir la forma sólida de AB2.

Ksp = [A ^ 2 +] [B ^ -] ^ 2

De manera similar a otras expresiones de equilibrio que puede haber encontrado, el símbolo K se usa para la constante de equilibrio. Usamos Ksp para mostrar que este equilibrio es específico de la solubilidad. El término apropiado para Ksp es constante de producto de solubilidad o constante de solubilidad. ¡No tiene unidades!

Por diversión, escribamos la expresión Ksp para MgF2. Sabemos que el MgF2 se descompondrá en 1 ion Mg ^ 2 + y 2 iones F ^ – y que el proceso inverso también es posible. La ley de acción de masas para esta expresión será Ksp = [Mg ^ 2 +] [F ^ -] ^ 2.

Cada químico tiene un valor de Ksp específico para una temperatura determinada. Estos valores se dan generalmente para 25 grados Celsius o temperatura ambiente. Cuanto menor es el valor de Ksp, menor es la solubilidad de un compuesto. Al igual que con Keq, los valores pequeños de Ksp sugieren que la reacción es dominante en la dirección inversa o reactivo pesado.

A veces, puede ser necesario determinar Ksp para un problema de solubilidad particular, otras veces, es posible que sea necesario determinar las concentraciones de iones disueltos en base al valor de Ksp. De cualquier manera, ya tenemos las herramientas para resolver cualquier tipo de problema.

Los valores de Ksp se basan en soluciones saturadas o soluciones que contienen la concentración máxima de iones en solución. Las soluciones que no están saturadas no tienen valores de Ksp porque no están en equilibrio.

Se pueden determinar los valores de Ksp dadas las concentraciones de iones en una solución saturada. También se puede determinar la concentración máxima de iones para un compuesto con un valor de Ksp dado. Haremos algunos problemas de ejemplo para cada una de estas situaciones.

Determinación de Ksp a partir de la concentración de iones

Entonces, aquí estamos en el laboratorio. Necesitamos determinar el valor de Ksp para una solución saturada de AgCl a 25 grados Celsius. La concentración de iones Ag ^ + y Cl ^ – es 1.26 * 10 ^ -5 mol / L. ¡Este es un número bastante pequeño y esta solución está saturada! Eso significa que AgCl (cloruro de plata) es bastante insoluble.

Sabemos que AgCl está en equilibrio dinámico con sus iones constituyentes, Ag ^ + y Cl ^ -, que pueden expresarse como AgCl (s) <==> Ag ^ + (aq) + Cl ^ – (aq).

La expresión de equilibrio es Ksp = [Ag ^ +] [Cl ^ -].

Para encontrar Ksp, insertamos nuestras concentraciones de Ag ^ + y Cl ^ – en nuestra expresión y resolvemos.

Ksp = (1,26 * 10 ^ -5) (1,26 * 10 ^ -5) = 1,59 * 10 ^ -10

1,59 * 10 ^ -10 es un número realmente pequeño. Refuerza nuestra noción anterior de que se trata de un compuesto insoluble.

Determinación de la concentración a partir de Ksp

Ahora, imagine que tenemos el valor de Ksp para un compuesto específico. Pero esta vez, queremos determinar las concentraciones de iones presentes. Comencemos con uno fácil: carbonato de calcio (CaCO3). El carbonato de calcio tiene una Ksp de 8,7 * 10 ^ -9 a 25 grados Celsius.

Sabemos que el carbonato de calcio se rompe en iones de calcio y carbonato, y sabemos que la expresión de equilibrio es Ksp = [Ca ^ 2 +] [CO3 ^ 2-].

Los iones de calcio y carbonato se disocian del carbonato de calcio en una proporción de 1: 1, por lo que deberíamos tener concentraciones iguales de cada ión en solución. Podemos sustituir x por las concentraciones de cada ion y agregar nuestro valor conocido de Ksp, ¡luego resolver para x !

Ksp = ( x ) ( x ) = 8,7 * 10 ^ -9

Encontramos el valor de x tomando la raíz cuadrada de 8.7 * 10 ^ -9. x = 9,3 * 10 ^ -5.

Dado que establecemos x igual a las concentraciones de los iones, sabemos que la concentración de Ca ^ 2 + y CO3 ^ 2- son cada una de 9.3 * 10 ^ -5 mol / L.

¡Uno más y terminamos! Encontremos las concentraciones de cloruro de plomo (II), PbCl2, a 25 grados Celsius. La Ksp para este compuesto es 1.6 * 10 ^ -5. Ese es un número pequeño, por lo que esperamos que las concentraciones de nuestros iones disueltos sean pequeñas cantidades.

Como hemos hecho antes, escribamos una ecuación que muestre cómo el PbCl2 se romperá en iones (y se reformará). La ley de acción de masas para esta disociación es Ksp = [Pb ^ 2 +] [Cl ^ -] ^ 2.

Sabemos que cada compuesto de PbCl2 se rompe en 1 ion Pb ^ 2 + y 2 iones Cl ^ -. Esto significa que la concentración de iones Cl ^ – será el doble que la de Pb ^ 2 +. Si establezco la concentración de Pb ^ 2 + igual ax , entonces debo establecer la concentración de Cl ^ – en 2 x . Ahora puedo insertar estos valores en mi expresión de equilibrio junto con mi valor de Ksp.

Ksp = ( x ) (2 x ) ^ 2 = 1.6 * 10 ^ -5

Simplificando, encuentro que 4 x ^ 3 = 1.6 * 10 ^ -5, y por lo tanto x = 0.016.

Esto significa que mi concentración de Pb ^ 2 + es 0.016 mol / L y la concentración de Cl ^ – es 0.032 mol / L. Esos son números diminutos, como pensamos.

Resumen de la lección

La solubilidad es la capacidad de disolverse en un volumen determinado de un disolvente a una temperatura determinada. La solubilidad de un compuesto se expresa en términos de molaridad (mol / L) y depende de la temperatura. Una sustancia se considera soluble cuando su solubilidad es superior a 1 g por 100 g de disolvente. Una sustancia se considera insoluble cuando su solubilidad es inferior a 0,1 g por 100 g de disolvente.

Cuando una solución de un volumen dado tiene una cantidad máxima de un sólido disuelto en ella, se dice que está saturada . Para soluciones en equilibrio, la ley de acción de masas se escribe solo en términos de los iones producidos. La constante de equilibrio se escribe como Ksp y se identifica como la constante del producto de solubilidad (o la constante de solubilidad) para una solución en equilibrio.

Ksp se puede calcular escribiendo la ley de acción de masas para una solución e ingresando la concentración de iones en la ecuación. Esto se puede hacer usando concentraciones de iones o basándose en datos de solubilidad. Las concentraciones de iones se pueden determinar dado solo el valor de Ksp para una solución en equilibrio. En este caso, escribe la ley de acción de masas. Establezca las concentraciones desconocidas en x . Asegúrese de tener en cuenta las relaciones estequiométricas. Resuelve para x .

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección, podrá:

  • Definir solubilidad
  • Diferenciar entre sustancias solubles e insolubles.
  • Recuerde qué soluciones saturadas, la ley de acción de masas y la constante del producto de solubilidad son
  • Explicar cómo calcular la constante de solubilidad y cómo determinar las concentraciones de iones dada la constante de solubilidad.