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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 7
Lección 8: Equilibrios de solubilidad- Introducción a la solubilidad y a la constante del producto de solubilidad.
- Solubilidad de la constante del producto de solubilidad
- Ejemplo trabajado: Predecir si se forma un precipitado al comparar Q y Kₛₚ
- Solubilidad y el efecto del ion común
- Solubilidad y el pH de la solución
- Equilibrios de solubilidad
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Ejemplo trabajado: Predecir si se forma un precipitado al comparar Q y Kₛₚ
Podemos usar el cociente de reacción para predecir si se formará un precipitado cuando se mezclan dos soluciones que contienen compuestos iónicos disueltos. Si Q < Kₛₚ, la solución recién mezclada tiene baja saturación y no se formará un precipitado. Si Q > Kₛₚ, la solución está sobresaturada y se formará un precipitado hasta que Q = Kₛₚ. Creado por Jay.
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Transcripción del video
Para este problema, nuestro objetivo es averiguar
si se formará o no un precipitado si mezclamos 0.20 litros de una solución 4.0 por 10 a la
menos tres Molar de nitrato de plomo (II), con 0.80 litros de una solución 8.0 por 10
a la menos tres Molar de sulfato de sodio. El primer paso es determinar la identidad del
precipitado que podría formarse. Estamos mezclando una solución acuosa (ac) de nitrato de plomo (II)
con una solución acuosa (ac) de sulfato de sodio. En la solución de nitrato de plomo (II) hay
cationes de plomo +2 y aniones de nitrato. En la solución acuosa(ac) de sulfato de sodio,
hay cationes de sodio y aniones de sulfato. Así que tomamos el catión de uno y el
anión del otro, entonces un posible producto sería el sulfato de plomo. Así
que vamos a escribirlo por aquí, PbSO4. Después de cruzar nuestras cargas, y si
tomamos el otro catión y el otro anión, el otro producto será nitrato de sodio.
Vamos a escribirlo, NaNO3. Para balancear la ecuación,
necesitamos un 2 antes de NaNO3, y como los nitratos son solubles, el
nitrato de sodio es una solución acuosa y el sulfato de plomo sería
nuestro posible precipitado. Ahora que conocemos nuestro posible precipitado, escribamos una ecuación iónica neta que
muestre la formación de ese precipitado. Entonces tenemos iones de plomo +2 que se
unirán con aniones de sulfato para formar PbSO4. Es decir, PbSO4 es el posible precipitado, y
realmente solo nos importa la concentración de los dos iones positivos de plomo y de
los aniones de sulfato en la solución. Y no necesitamos preocuparnos por
los cationes de sodio ni por los aniones de nitrato, ya que solo son iones
espectadores de nuestra reacción general. Es opcional trabajar en la ecuación general y en
la ecuación iónica neta en un problema como este. Lo que realmente necesitamos hacer
es identificar el precipitado, y después escribir la ecuación de disolución. Entonces PbSO4 es nuestro posible
precipitado. Y si se disuelve en agua, formamos cationes de plomo 2+ en solución
acuosa y aniones de sulfato también en solución acuosa, ¿cierto?
Escribiré ac por aquí. La razón por la que es importante
escribir la ecuación de disolución es porque podemos escribir una
expresión Kps a partir de ella. Entonces, Kps es igual a… y tenemos la
concentración del plomo 2+ elevada a la primera potencia porque tenemos un coeficiente de
1 en la ecuación balanceada, por la concentración del sulfato también elevada a la primera
potencia y los sólidos puros quedan fuera de las expresiones de las constantes de equilibrio. Por
lo tanto, no vamos a incluir el sulfato de plomo. El Kps del sulfato de plomo (II) es igual
a 6.3x10 a la -7 a 25 grados Celsius. Las concentraciones del plomo 2+
y del sulfato en la expresión Kps, son concentraciones en equilibrio. Para nuestro problema, también vamos a calcular
Qps, que tiene la misma forma que Kps, pero la diferencia es que las concentraciones pueden
medirse en cualquier momento en el tiempo. Así que vamos a calcular Qps en el momento
en que las dos soluciones se combinan, y después vamos a comparar Qps con Kps. Dibujé algunos diagramas para
ayudarnos a entender cómo vamos a comparar Qps con Kps y lo que
eso significa para la solución. Recuerda que estos no son diagramas perfectos,
sin embargo nos ayudarán a entender el punto. Si Qps es menor que Kps, la
solución está insaturada, lo que significa que no se
formará ningún precipitado. En una solución insaturada puedes
disolver más sulfato de plomo (II). Entonces el sulfato de plomo (II) es un
sólido blanco, así que si agregamos una pequeña cantidad de sulfato de plomo (II) en
nuestra solución insaturada, se podrá disolver. Y se podrá seguir disolviendo hasta que Qps sea
igual a Kps y el sistema esté en equilibrio. En el equilibrio, el sólido
se convierte en los iones a la misma velocidad que los iones se
vuelven a convertir en el sólido. Dado que la tasa de disolución es igual a la
tasa de precipitación cuando el sistema está en equilibrio, las concentraciones de iones
de plomo 2+ y de sulfato son constantes, y esto representa una solución saturada. Y dado que la solución está saturada en el
equilibrio, si intentamos añadir más sulfato de plomo (II) a la misma temperatura,
no se podrá disolver; y por lo tanto, solo aumentaremos la cantidad de sulfato de
plomo dos en el fondo del vaso de precipitados. Y este concepto nos ayuda a entender
qué sucede cuando Qps es mayor que Kps. Cuando Qps es mayor que Kps
la solución está sobresaturada. Es decir, se excede el límite de lo que podemos
disolver y, por lo tanto podemos imaginar algunos iones de plomo 2+ combinándose con algunos
iones de sulfato para formar un precipitado. Por lo tanto, cuando Qps es mayor
que Kps, se formará un precipitado. El precipitado continuará formándose hasta que Qps sea igual a Kps y el
sistema alcance el equilibrio. A continuación, tenemos que regresar a lo
que nos dieron en nuestro problema inicial, cuando mezclamos nuestras dos soluciones. Recuerda, solo nos importan las concentraciones
de iones de plomo 2+ y de sulfato. Así que vamos a calcular la concentración de estos dos iones en el momento en que
se mezclan las dos soluciones. Primero calculemos la concentración
de los iones de plomo 2+. La solución original de nitrato de plomo (II) tiene una concentración
de 4.0 por 10 a la -3 Molar. Y recuerda, la molaridad es igual a
los moles entre los litros. Entonces podemos escribir la concentración y
también el volumen de la solución, que era de 0.20 litros y resolver para
X, X es igual a 8.0 por 10 a la -4 moles. Ese es el número de moles de nitrato de
plomo (II) que hay y este también es el número de moles de iones de plomo 2+ que hay. Por lo tanto, para encontrar la concentración de
iones de plomo 2+ después de que las soluciones se mezclan, sustituimos 8.0 x 10 a la
-4 moles, y para el volumen estamos sumando estas dos soluciones, entonces el
volumen total de la solución es 0.20 + 0.80. Entonces la concentración de los iones
de plomo 2+ será igual a 8.0 x 10 a la -4 Molar. Podemos hacer el mismo tipo de cálculos
para encontrar la concentración de los iones de sulfato después de que
las dos soluciones se mezclan. Así que tomamos la concentración de la solución
original de sulfato de sodio y la sustituimos en la ecuación de molaridad, sustituimos
también el volumen y despejamos para X. X será igual a 6.4 x 10 a la menos
3 moles (x=6.4x10-3 mol) , esta es la cantidad de moles de sulfato de sodio que hay. Y también esta es la cantidad de
moles de iones de sulfato que hay. Así que sustituimos ese número
en la concentración de sulfato, y una vez más, como estamos añadiendo las dos
soluciones, dividiremos esto entre el volumen total. Así obtendremos una concentración de
iones de sulfato de 6.4 x 10 a la –3 Molar. Ahora que sabemos las concentraciones de los
iones de plomo 2+ y de sulfato después de que combinamos las dos soluciones, podemos sustituir
estos valores en nuestra expresión para Qps. Entonces, en ese momento en el
tiempo, Qps es igual a 5.1x10 a la –6. Por otra parte, a 25 grados Celsius, el valor Kps para el sulfato de plomo
(II) es igual a 6.3 x 10 a la –7. Mientras que Qps en ese
momento es 5.1 x 10 a la –6. Por lo tanto, Qps es mayor a Kps.
Dado que Qps es mayor a Kps, se excede el límite de lo que podemos disolver
y por lo tanto la solución está sobresaturada. Entonces, sí, en efecto,
se formará un precipitado, y este precipitado de sulfato de plomo (II) se
seguirá formando hasta que Qps sea igual a Kps.