INFORME - Equilibrio químico, Kps y ión común

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1.- INTRODUCCIÓN:
Las reacciones de precipitación son importantes en la industria, la medicina y la vida diaria.
Por ejemplo, la preparación de muchos productos químicas industriales esenciales como el
carbonato de sodio (Na2CO3) se basa en las reacciones de precipitación. Cuando el
esmalte de los dientes, que está formado principalmente por hidroxiapatita, Ca5(PO4)3OH,
se disuelve en un medio ácido, se produce caries. El sulfato de bario (BaSO4), un
compuesto insoluble opaco a los rayos X, se utiliza para el diagnóstico de trastornos del
tracto digestivo. Las estalactitas y estalagmitas, que están constituidas de carbonato de
calcio (CaCO3), son productos de una reacción de precipitación, al igual que muchos
alimentos, como el dulce de chocolate.
La constante del producto de solubilidad es aplicable de un modo general para definir las
condiciones de equilibrio en las disoluciones saturadas de electrolitos fuertes poco solubles.
Según el principio de dicha constante, el valor del producto iónico de la derecha de la
ecuación debe ser igual al valor del sistema de la izquierda para que el sistema permanezca
en equilibrio. Para que tenga lugar la precipitación, el producto iónico debe ser mayor que el
producto de solubilidad y viceversa para que el producto se disuelva.
El efecto del ion común, se le denomina al fenómeno en el cual a una solución de un ácido
débil se le agrega un ácido fuerte o una sal soluble de dicho ácido débil, el pH de la solución
se modifica y el grado de ionización disminuye.
2.- PROPÓSITO DE LA PRÁCTICA:
Al final de la sesión, el alumno es competente para:
● Hallar el valor de Kps del Ca(OH)2
● Evaluar el efecto del ión común en la solubilidad del Ca(OH)2
3.- HIPÓTESIS:
● Midiendo el pH de una solución saturada de hidróxido de calcio, compuesto de muy
baja solubilidad, se puede calcular el valor de su Kps.
● La inclusión de un ion común en la solución saturada disminuye la solubilidad del
Ca(OH)2.
4.- MARCO TEÓRICO:
a) Reacción de precipitación
Las reacciones de precipitación son reacciones de intercambio en donde uno de los
productos es un compuesto insoluble en agua, como Ba(OH)2, es decir, un
compuesto que tiene solubilidad en agua inferior de aproximadamente 0.001 mol de
material disuelto por un litro de solución.
b) El producto de solubilidad
Considere una disolución saturada de hidróxido de bario que está en contacto con
hidróxido de bario sólido. El equilibrio de solubilidad se representa como:
Debido a que las sales del hidróxido de bario se comportan como un electrolito
fuerte, entonces el hidróxido de bario que se disuelve en agua se disocia por
completo en iones Ba2+ y OH-. Además se sabe que para reacciones heterogéneas,
las concentraciones del sólido es una constante. Así que podemos describir la
constante de equilibrio para la disolución de Ba(OH)2(s) cómo:
Donde Kps se conoce como la constante del producto de solubilidad o simplemente
el producto de solubilidad. En general, el producto de solubilidad de un compuesto
es el producto de las concentraciones molares de los iones constituyentes, cada una
elevada a la potencia de su coeficiente estequiométrico en la ecuación de equilibrio.
c) Solubilidad molar y solubilidad
Hay dos formas de expresar la solubilidad de una sustancia: como solubilidad molar,
que es el número de moles de soluto en un litro de una disolución saturada (mol/L), y
como solubilidad, que es el número de gramos de soluto en un litro de una
disolución saturada (g/L). Ambas expresiones se refieren a la concentración en
disolución saturada a una determinada temperatura que suele ser a 25ºC. Por
ejemplo:
𝐵𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
↔ 𝐵𝑎
2
+
(𝑎𝑐)
+ 2𝑂𝐻−
(𝑎𝑐)
Equilibrio [M]-s s 2s
---> --->𝐾𝑝𝑠 = [𝐵𝑎
2
+ ][𝑂𝐻− ]
2
𝐾𝑝𝑠 = 𝑠 * (2𝑠)2 𝐾𝑝𝑠 = 4𝑠3
Para determinar el valor de los iones Ba2+ y OH- en la disolución en equilibrio se
debe usar el potenciómetro.
d) Efecto del ion común, Principio de Le Châtelier y la solubilidad
En la reacción:
Los iones de la disolución saturada proceden de una fuente única, el soluto sólido
puro.
A esta disolución saturada se le adiciona iones Ba2+, un ión común procedente de
una fuente como el BaCl2(ac). De acuerdo con el principio de Le Châtelier, una
mezcla en equilibrio responde a un aumento de la concentración de uno de los
reactivos, con un desplazamiento en el sentido en que se consume dicho reactivo.
Es decir, si se adiciona algo del ion común Ba2+ a un sistema que está en equilibrio,
la reacción tiende a la izquierda, formando más hidróxido de bario sólido,
conduciendo a un nuevo equilibrio.
La adición del ión común desplaza el equilibrio de un compuesto iónico poco soluble
hacia el compuesto sin disolver, produciéndose más precipitado. Por lo tanto, la
solubilidad del compuesto se reduce.
En la reacción:
A esta disolución saturada se le adiciona protones H+ provenientes de un ácido
fuerte como el ácido clorhídrico HCl(ac). Los protones del ácido reaccionan con los
iones hidróxido disueltos, disminuyendo su concentración. De acuerdo con el
principio de Le Châtelier, una mezcla en equilibrio responde a una disminución de la
concentración de uno de los reactivos, con un desplazamiento en el sentido en que
se produce dicho reactivo. Es decir, si se adiciona protones H+ a un sistema que está
en equilibrio, la reacción tiende a la derecha, formando más iones hidróxido,
conduciendo a un nuevo equilibrio.
La adición de los protones desplaza el equilibrio de un compuesto iónico poco
soluble hacia la formación de más de sus iones. Por lo tanto, la solubilidad del
compuesto se incrementa.
5.- REQUERIMIENTOS:
a) De materiales/reactivos/equipos
● Un laboratorio de química con suministros de energía, agua, desagüe,
materiales y equipos de laboratorio.
● Materiales y equipos.
● De los materiales por mesa
● 1 vaso de precipitado de 100 mL
● 1 probeta de 50 mL
● 1 pipeta de 5 mL
● 1 propipeta
● 1 piceta
● De los reactivos
● Hidróxido de calcio saturado, Ca(OH)2
● Cloruro de calcio, CaCl2 0.5 M
● Soluciones buffer para calibración de pH 4 y pH 7
● De los equipos
● Potenciómetro con electrodo selectivo para hidrógeno
● Agitador magnético
b) De buenas prácticas de laboratorio: para asegurar exactitud y precisión de
resultados.
● La práctica de laboratorio debe ser desarrollada siguiendo los lineamientos
establecidos en el Manual de Buenas Prácticas de Laboratorio.
● El trabajo en el laboratorio demanda orden y concentración en el desarrollo de los
diferentes procesos para asegurar exactitud y precisión en los resultados.
c) De gestión ambiental: ecoeficiencia, reciclaje, segregación, disposición.
Es obligatorio desarrollar la práctica en el laboratorio considerando los lineamientos
establecido en el Manual de Gestión de Residuos de Laboratorio y lo estipulado en
los elementos de la norma ISO 14001, con la finalidad de cumplir con un
procedimiento ecoeficiente, reciclaje, segregación y disposición correspondiente.
● Aplicar los lineamientos del Manual de Gestión de Residuos de Laboratorio.
● Manejar las instrucciones de tratamiento y disposición de residuos sólidos,
efluentes y/o emisiones en área de trabajo. Referencia: elementos de la
norma ISO 14001.
● Utilizar los recipientes para disposición de residuos sólidos.
● Utilizar los recipientes para disposición de residuos líquidos.
d) De seguridad y salud de las personas. Protectores, incendios, derrames,
accidentes.Manual de gestión de seguridad y salud ocupacional.
● Identificación/Investigación de Peligros y Evaluación de Riesgos. Factores de
Riesgos: Físicos, Químicos, Biológicos, Psicosociales, Ergonómicos.
Referencia: elementos de la norma OSHA 18001.
● MSDS (Material Safaty Data Sheet: ficha de datos de seguridad de
materiales) cartillas de seguridad de cada uno de los reactivos usados,
considerando los pictogramas correspondientes.
● Material y equipo de protección personal que la práctica lo exija: guantes
para calor; protector de ojos; mandil o guardapolvo.
● Campana de extracción de gasas cuando lo requiera.
6.-METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
a) Procedimiento 1. Cálculo del valor de Kps del hidróxido de calcio, Ca(OH)2
● Trasvasar 40 mL de la disolución de hidróxido de calcio al vasos de
precipitado, use la probeta
● Colocar el vaso de precipitado con la disolución en el agitador magnético
● Determinar el valor de pH de la disolución de hidróxido, haga uso del
potenciómetro. Espere 5 minutos para tomar la lectura de pH
● Hacer los cálculos para hallar el valor de Kps. Use 4 cifras significativas
● Registrar los datos en la tabla 1
b) Procedimiento 2. Efecto del ión común
● Sin retirar el vaso del agitador, adicionar 1 mL de la disolución de cloruro de
calcio 0.5 M a los 40 mL de la disolución de hidróxido de calcio
● Determinar el valor de pH de la disolución de hidróxido de calcio, haga uso
del potenciómetro. Espere 5 minutos para tomar la lectura de pH
● Hacer los cálculos para hallar la solubilidad. Use 4 cifras significativas
● Registrar los datos en la tabla 2
7.- RESULTADOS:
1) ACTIVIDAD 1: Revisión de conceptos
Respuestas
Reacción química
𝐾𝐶𝑙𝑂
3
 ↔ 𝐾 + + 𝐶𝑙𝑂
3
− 
𝐾𝐶𝑙 → 𝐾 + + 𝐶𝑙 −
Hallar el Kps de la reacción
inicial Kps = [𝐾
+][𝐶𝑙𝑂
3
−] 
Identificar al ión común
𝐾 +
Observaciones realizadas Al agregarse una concentración de ion
común , se estaría agregando un producto a
la reacción inicial y se forma el precipitado
sólido en forma de cristal.
Principales conclusiones Este resultado se explica por el principio de
Le Châtelier y la reacción se desplaza a la
izquierda para contrarrestar el efecto del
aumento de un producto.
2) ACTIVIDAD 2: Determinación de Kps.
En relación a las diapositivas de la práctica sobre determinación del Kps y efecto del
ión común, completar las tablas 2 y 3.
Valor de pH = -log[H+]
Valor de pH = 12,052
Valor de pOH = -log[OH-]
Valor de pOH = 1,948
Valor de [OH-] =
0,01127 M
Reacción: 𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
⇔ 𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
 + 2𝑂𝐻−
(𝑎𝑐)
Disociación: 𝑠 𝑠 2𝑠
En equilibrio: [𝑀
0
] − 𝑠 𝑠 2𝑠
2s = 0,01127𝐾𝑝𝑠 = [𝐶𝑎2+][𝑂𝐻−]
2
s =0,005635 M =𝐾𝑝𝑠 = 𝑠 * (2𝑠)2 → 𝐾𝑝𝑠 = 4𝑠3 5, 635 * 10−3
Valor de Kps = 4𝑠3
Valor de Kps =
 4* (0, 005635)3
Valor de Kps = 7, 157 * 10−7
Valor de s (moles/L)
s =0,005.635 M
s = M 5, 635 * 10−3
Valor de s (g/L) =
0,005635 mol/L*74 g/mol =
0,4170 g/L
Observaciones:
El valor obtenido del PH es válido, ya que se trata de una base fuerte.
El valor de Kps hallado para el indica la solubilidad de la base, es𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
decir cuanto menor sea su valor menos soluble será el compuesto.
3) ACTIVIDAD 3: Efecto del ión común
Ksp Ca(OH)2 with Common Ion Effect Lab (2:07-4:02 min)
https://www.youtube.com/watch?v=0N174A4Hhcs
(PPT Práctica sobre determinación del Kps y efecto del ión común).
pH de la solución saturada de
Ca (OH)2 con solución de
Ca2+ 0,100 M = 11,96
Volumen de solución
saturada de Ca (OH)2 con
solución de Ca2+ 0,100 M
(L)= 25 ml
Concentración de Ca2+ (M) =
0,100 M
Concentración de HCl (M) =
0,1081 M
Gasto de HCl (mL) de la
titulación con solución
saturada de Ca (OH)2=
8.64 ml
Moles de HCl consumidos =
0.1081 mol/L* 0,00864 L =
0,0009 moles
Ecuación química de la titulación:
𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
 + 2𝑂𝐻−
(𝑎𝑐)
 + 2𝐶𝑙 − + 2𝐻 + 𝐶𝑎𝐶𝑙
2
 + 2𝐻
2
𝑂 
mol de OH- = 2 mol H+
mol de OH- = 2*0,0009
mol de OH- = 0,0019 moles
Concentración de OH- [OH-] = mol OH / L
[OH-] = 0,0019 mol/ (0,025+0,00864)
[OH-] = 0,03364 M
𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
 𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
 + 2𝑂𝐻−
(𝑎𝑐)
Inicio: 0, 1 
Reacción: 𝑠 2𝑠
Nuevo equilibrio: s+0,1 2s 
Valor de Kps =
𝐾𝑝𝑠 = [𝐶𝑎2+][𝑂𝐻−]
2
 7, 157 * 10−7 = (𝑠 + 0, 1) * (2𝑠)2
4𝑠3 + 0, 4 𝑠2 − 7, 157 * 10−7 = 0
s = 0.0013288 M
Valor de s Ca (OH)2 (moles/L) =
s = 0.0013288 M
Valor de s Ca (OH)2 (g/L) =
0,0013288 mol/L*74 g/mol = 0,0983 g/L
Observaciones:
Si se añade concentración apreciable de iones de en la disolución saturada, el equilibrio𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
se desplaza hacia la izquierda para la formación del sólido que precipita.𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
El efecto entonces es una disminución en la solubilidad del sólido desde 0,005635M hasta
0.0013288 M.
https://www.youtube.com/watch?v=0N174A4Hhcs
8.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS:
El valor de Kps hallado para el indica la solubilidad de la base, es decir cuanto𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
menor sea su valor menos soluble será el compuesto.
Si se añade concentración apreciable de iones de en la disolución saturada, el𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
equilibrio se desplaza hacia la izquierda para la formación del sólido que𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
precipita. El efecto entonces se logra observar una disminución en la solubilidad del sólido.
9.- CONCLUSIONES:
Se concluye que visto que es el producto y la constante de solubilidad, su relación con las
concentraciones iónicas y la solubilidad, cómo el efecto de ion común disminuye la
solubilidad de los compuestos, y si es posible separar sales con un ion común por
precipitación fraccionada.
Los valores de las constantes del producto de solubilidad se encuentran en las tablas ya
determinadas.A partir de los valores de Kps podemos deducir la concentración de cada uno
de los iones presentes cuando se precipita el sólido.
El valor de Kps indica la solubilidad de un compuesto, es decir, cuanto menor sea su valor
menos soluble será el compuesto. También fácilmente observable que si aumentamos la
concentración de uno de los componentes o iones y alcanzamos de nuevo el estado de
equilibrio de solubilidad, la concentración otro ión se verá disminuida debido
al efecto ion común
10.- BIBLIOGRAFÍA:
Manual de Buenas Prácticas de Laboratorio. 2007. Servicio de Prevención de Riesgos
Laborales. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Ministerio de Educación y
Ciencia. Sevilla, España.
http://www.icv.csic.es/prevencion/Documentos/manuales/bpl_csic.pdf
Buenas Prácticas de Laboratorio.
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/microbiologia/unidades/documen/uni_02/44/GLP.
htm
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/microbiologia/unidades/documen/uni_02/44/GLP.htm
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/microbiologia/unidades/documen/uni_02/44/GLP.htm
Videos:
https://www.youtube.com/watch?v=2nzshkd0d78
CUESTIONARIO:
1.¿Cuál es el ión común en la práctica, y cómo afecta a la solubilidad?
El ion común es el , luego el equilibrio se desplaza hacia la izquierda para la𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
formación del sólido que precipita. El efecto del ion común provoca una𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
disminución en la solubilidad del sólido desde 0,005635M hasta 0.0013288 M.
2.Si se le adiciona un ácido fuerte al hidróxido de calcio, explique cómo afecta
a la solubilidad?
𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑠)
 𝐶𝑎2+
(𝑎𝑐)
 + 2𝑂𝐻−
(𝑎𝑐)
Según el principio de Le Chatelier, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda para
compensar el aumento de concentración de iones OH , con lo cual disminuye la solubilidad
del compuesto.
3.Escriba la expresión de Kps para los siguientes sólidos poco solubles:
- PbCl2 𝑃𝑏𝐶𝑙
2
→ 𝑃𝑏+2 + 2𝐶𝑙−1 𝐾𝑝𝑠 = [𝑠][2𝑠]2
[M]-s s 2s 𝐾𝑝𝑠 = 4𝑠3
- Li2CO3 𝐿𝑖
2
𝐶𝑂
3
→ 2𝐿𝑖+1 + 𝐶𝑂
3
−2 𝐾𝑝𝑠 = [2𝑠]2[𝑠]
[M]-s 2s s 𝐾𝑝𝑠 = 4𝑠3
- CaCO3 𝐶𝑎𝐶𝑂
3
→ 𝐶𝑎+2 + 𝐶𝑂
3
−2 𝐾𝑝𝑠 = [𝑠][𝑠]
[M]-s s s 𝐾𝑝𝑠 = 𝑠2
- Ag2CrO4 𝐴𝑔
2
𝐶𝑟𝑂
4
→ 2𝐴𝑔+ + 𝐶𝑟
2
𝑂
4
−2 𝐾𝑝𝑠 = [2𝑠]2[𝑠]
[M]-s 2s s 𝐾𝑝𝑠 = 4𝑠3
- Ca3(PO4)2 𝐶𝑎
3
(𝑃𝑂
4
)
2
→ 3𝐶𝑎+2 + 2𝑃𝑂
4
−3 𝐾𝑝𝑠 = [3𝑠]3[2𝑠]2
[M]-s 3s 2s 𝐾𝑝𝑠 = 108𝑠5
4.La solubilidad del sulfato de calcio es de 0.80 g/L, Calcule el valor de Kps para el
sulfato de calcio.
Considerando:
𝐶𝑎 = 40 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑆 = 32 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑂 = 16𝑔/𝑚𝑜𝑙 
𝑠 = 0. 80 𝑔/𝐿 * 1 𝑚𝑜𝑙136 𝑔 ⇒ 𝑠 = 5. 88 * 10
−3𝑀/𝐿
𝐶𝑎𝑆𝑂
4
→ 𝐶𝑎+ + 𝑆𝑂
4
−
[M]-s s s
𝐾𝑝𝑠 = 𝑠 * 𝑠 ⇒𝐾𝑝𝑠 = 𝑠2 ⇒ 𝐾𝑝𝑠 = (5. 88 * 10−3)2 ⇒ 𝐾𝑝𝑠 = 3. 46 * 10−5
El Kps para el sulfato de calcio es Kps = 3.46*10-5
5.Calcule la solubilidad molar del hidróxido de cobre (II) si el valor de Kps es
2.2x10-20
𝐶𝑢(𝑂𝐻)
2
→ 𝐶𝑢+2 + 2𝑂𝐻−1
[M]-s s 2s
𝐾𝑝𝑠 = [𝑠][2𝑠]2 ⇒ 2. 2 * 10−20 = 4𝑠3 ⇒ 𝑠 = 1. 76 * 10−7
La solubilidad el Cu(OH)2 es de 1.76*10-7mo/l
6.El pH de una disolución de hidróxido de magnesio es 12, halle el valor de Kps.
𝑝𝐻 = 12 ⇒ 𝑝𝑂𝐻 = 2 ⇒ − 𝑙𝑜𝑔[𝑂𝐻] = 2 ⇒ [𝑂𝐻] = 10−2
𝑀𝑔(𝑂𝐻)
2
→ 𝑀𝑔+2 + 2𝑂𝐻−1
5*10-3 M 10-2 M
𝐾𝑝𝑠 = [5 * 10−3][10−2]2 ⇒ 𝐾𝑝𝑠 = 5 * 10−7
El Kps de una disolución de hidróxido de magnesio (pH = 12) es Kps = 5*10-7