En realidad, detrás de la formación de cristales hay una química importante. Al evaporar el agua, aumentas la concentración de iones de sal acuosa disueltos, y esto hace que la sal precipite en cristales sólidos. La relación entre la concentración de iones acuosos y la precipitación se explica mediante algo llamado producto de solubilidad.
- Este artículo trata sobre el producto de solubilidad en fisicoquímica.
- Empezaremos examinando la solubilidad en su conjunto. Esto incluirá la definición de solución soluble y saturada.
- Después exploraremos cómo las especies iónicas ligeramente solubles forman equilibrios de sol ubilidad cuando entran en contacto con su propia solución saturada.
- Después, aprenderemos sobre el producto de solubilidad, que es la constante de equilibrio para los equilibrios de solubilidad.
- Aprenderás a escribir una fórmula para el producto de solubilidad y a calcular sus unidades.
- Por último, veremos cómo se relaciona el producto de solubilidad con el cambio de las condiciones de equilibrio, como las dictadas por el efecto del ion común.
Producto de solubilidad: Definición de la solubilidad
Algunos compuestos iónicos, como la sal común de mesa, son definitivamente solubles.
Una sustancia soluble es aquella que es capaz de disolverse en agua. Llamamos soluto a la sustancia en cuestión.
Otras especies iónicas, sin embargo, parecen ser insolubles. Por ejemplo, el fosfato cálcico de tus dientes es otro ejemplo de compuesto iónico y, por suerte para nosotros, no tiende a disolverse en el agua. Pero, de hecho, ninguna especie iónica es completamente insoluble.Todas las especies iónicas se disuelvenen solución hasta cierto punto. Porejemplo, el fosfato cálcico se vuelve mucho más soluble en soluciones ácidas, razón por la que los dentistas te aconsejan limitar el consumo de bebidas gaseosas: están llenas de ácido fosfórico.
Podemos medir lo soluble o insoluble que es un compuesto iónico de forma más cuantificable utilizando lasolubilidad.
La solubilidad es la cantidad máxima de una especie que puede disolverse en un volumen determinado de disolvente. En otras palabras, es la cantidad de un compuesto necesaria para saturar completamente una solución.
La solubilidad suele medirse en gramos de soluto por 100 gramos (o a veces 1 kilogramo) de agua. Sin embargo, también podemos medirla en moles por 100 gramos (o 1 kilogramo) de agua.
100 g de agua equivalen a 1 decilitro. Del mismo modo, 1 kilogramo de agua equivale a 1 litro, que a su vez equivale a 1 decímetro cúbico. Por tanto, la solubilidad suele adoptar las unidades g dL-1, g L-1, mol dL-1, mol L-1., o mol dm-3. En los cálculos de solubilidad de nivel A, probablemente utilizarás mol dm-3.
Es difícil asignar valores exactos de solubilidad a los términos soluble e insoluble. Sin embargo, como regla general
Si más de 1 g de una especie se disuelve en 100 g de agua, decimos que es soluble.
Si entre 0,1 g y 1 g de una especie se disuelve en 100 g de agua, decimos que es ligeramente soluble.
Si menos de 0,1 g de una especie se disuelve en 100 g de agua, decimos que es insoluble.
Otro término para disolver es disolución. Lo contrario de disolver es precipitar.
Soluciones saturadas
En la definición de solubilidad, mencionamos la saturación de una solución.
Una solución está saturada cuando ya no puede disolverse más soluto en ella.
La saturación se relaciona con la solubilidad de forma sencilla:
Si la cantidad de un soluto en una solución es menor que la solubilidad del soluto, la solución está insaturada. El soluto se disuelve en iones acuosos.
Si la cantidad de soluto en una solución es igual a la solubilidad del soluto, la solución está saturada. Si añades más soluto, éste permanece como sólido y no se disuelve en iones acuosos.
Si añades una gran cantidad de una sal totalmente soluble al agua, es posible que no formes una solución saturada: las sales solubles tienen una solubilidad elevada, por lo que normalmente todo el sólido se disuelve. Sin embargo, si añades la misma cantidad de una sal ligeramente soluble al agua, saturarás rápidamente la solución. Las sales poco solubles tienen una solubilidad baja, por lo que parte de la sal no se disuelve. En su lugar, permanece como un sólido.
Fig. 1 - Especies solubles y ligeramente solubles. Los compuestos solubles suelen disolverse totalmente en la solución, mientras que los ligeramente solubles forman rápidamente soluciones saturadas
Pero esa frase final es quizá una simplificación excesiva. Unavez alcanzada la saturación, no hay disoluciónneta de especies iónicas sólidas. Sin embargo, eso no significa que las soluciones saturadas sean estáticas. Por el contrario, son ejemplos de equilibrios dinámicos, en los que los procesos de disolución y precipitación tienen lugar continuamente. A estos equilibrios los llamamos equilibrios de solubilidad. Considerémoslos a continuación.
Producto de solubilidad: Equilibrios de solubilidad
Si añades más cantidad de un compuesto iónico a una solución saturada, en general, no hay disolución neta. Sin embargo, a nivel atómico, tanto la disolución como la precipitación están en curso. El compuesto iónico sólido se disuelve en iones acuosos en solución, mientras que los iones acuosos precipitan simultáneamente para reformar el compuesto iónico sólido. La velocidad de disolución es igual a la velocidad de precipitación, por lo que la cantidad total de soluto disuelto en la solución permanece constante.
¿Te suena? Lo que describimos aquí es un tipo de equilibrio dinámico. Lo llamamos equilibrio de solubilidad .
Losequilibrios de solubilidad son equilibrios que se forman entre todas las sales iónicas que están en contacto con su propia solución saturada.
En los equilibrios de solubilidad, la reacción hacia delante es la disolución, mientras que la reacción hacia atrás es la precipitación. Por tanto, la disolución y la precipitación son dos caras de la misma reacción reversible.
Podemos representar el equilibrio de solubilidad para la disolución del compuesto iónico generalAaBb en contacto con su propia disolución saturada con la siguiente ecuación
$$A_aB_b(s)\rightleftharpoons aA^{b+}(aq)+bB^{a-}(aq)$$
Los equilibrios de solubilidad siguen todas las reglas de los equilibrios estándar. Por ejemplo:
- En el equilibrio, la velocidad de la reacción hacia delante (disolución) es igual a la velocidad de la reacción hacia atrás (precipitación).
- En el equilibrio, las concentraciones de productos y reactivos no cambian.
- Las concentraciones de equilibrio de productos y reactivos pueden representarse mediante una constante de equilibrio, que tiene un valor fijo a una temperatura determinada.
- El equilibrio tiende siempre hacia una determinada posición. Esta posición puede modificarse cambiando los factores externos.
¿Nunca te has encontrado con el equilibrio? O quizá simplemente quieras un recordatorio rápido de sus propiedades. En cualquier caso, dirígete a Equilibrio químico para conocer en detalle estos sistemas químicos.
Exploremos ahora con más detalle algunas de las ideas mencionadas anteriormente. Empezaremos con la constante de equilibrio utilizada para los equilibrios de solubilidad: el producto de solubilidad.
Producto de solubilidad: Definición y principio
Todos los equilibrios dinámicos se caracterizan por una determinada proporción entre productos y reactivos en el sistema en equilibrio. Medimos esta proporción mediante una constante de equilibrio.
Pues bien, los equilibrios de solubilidad no son diferentes. Su constante de equilibrio particular se conoce como producto de solubilidad.
El producto de solubilidad es la constante de equilibrio para la disolución de una especie iónica en un equilibrio de solubilidad. Te informa sobre la concentración relativa de iones acuosos en una reacción de disolución en equilibrio.
Ten en cuenta lo siguiente:
- El producto de solubilidad se basa en las concentraciones de equilibrio.
- Al igual que con otras constantes de equilibrio, no incluimos las concentraciones de sólidos o líquidos puros en la expresión del producto de solubilidad. Esto se debe a que sus concentraciones no cambian.
- De nuevo, como ocurre con otras constantes de equilibrio, el producto de solubilidad es constante para una reacción determinada a una temperatura concreta. Sin embargo, si cambias la temperatura, cambias el valor del producto de solubilidad.
Puedes encontrar toda la información sobre las constantes de equilibrio, incluida la constante de equilibrio más común Kc, en Constantes de equilibrio. De todos modos, quizá quieras echar un vistazo rápido a ese artículo para refrescar tus conocimientos sobre las expresiones de las constantes de equilibrio antes de pasar al siguiente apartado.
¿Listo para intentar escribir una expresión para el producto de solubilidad? Veámoslo ahora.
Producto de solubilidad: Fórmula
Intenta escribir una expresión del producto de solubilidad para la ecuación de la reacción de disolución que te hemos dado antes. Es muy parecida a la expresión para la constante de equilibrio más comúnKc.
Con un poco de suerte, acabarás con lo siguiente
$$K_{sp}={[A^{b+}]_{eqm}}^a\space {[B^{a-}]_{eqm}}^b$$
Recuerda que aquí los corchetes representan la concentración, mientras que las minúsculas eqm indican que tomamos la medida en el equilibrio.
¿Tienes dudas sobre cómo hemos llegado a esa fórmula? Sencillamente, para encontrar una expresión para el producto de solubilidad:
- Escribe una ecuación de equilibrio de solubilidad.
- Toma la concentración de equilibrio de cada uno de los productos iónicos acuosos.
- Eleva cada concentración de equilibrio a la potencia de su coeficiente molar en la ecuación de equilibrio equilibrada.
- Multiplica estos términos.
Dentro de un momento veremos un ejemplo de cómo escribir expresiones de productos de solubilidad. Pero antes tenemos que conocer las unidades del producto de solubilidad.
Unidades del producto de solubilidad
Las unidades del producto de solubilidad difieren según la propia ecuación de reacción. Las hallarás del mismo modo que hallas las unidades de cualquier otra constante de equilibrio:
- Sustituye las unidades que utilizaste para las concentraciones de equilibrio de los iones acuosos en cada término de la expresión del producto de solubilidad. Si no se indican, las unidades típicas de concentración son mol dm-3.
- Expande cada término según su exponencial y, a continuación, simplifica la expresión para hallar tus unidades finales.
Pongamos en común todo lo que acabamos de aprender y probemos a escribir expresiones de productos de solubilidad para especies iónicas concretas.
Encuentra la expresión del producto de solubilidad para el siguiente equilibrio de solubilidad y calcula sus unidades:
$$CuCl(s)\rightleftharpoons Cu^+(aq)+Cl^-(aq)$$
Para hallar una expresión del producto de solubilidad (Ksp), primero necesitamos una ecuación de equilibrio para la reacción. Por suerte, nos la han dado. A continuación, tomamos las concentraciones de equilibrio de las especies iónicas acuosas, las elevamos a la potencia de sus coeficientes molares en la ecuación de equilibrio y multiplicamos los dos términos. Aquí, los productos iónicos son Cu+ y Cl-. Ambos tienen un coeficiente molar de 1, por lo que elevamos sus concentraciones de equilibrio a la potencia de 1. Elevar algo a la potencia de 1 no cambia su valor. Por tanto, obtenemos la siguiente expresión
$$K_{sp}=[Cu^+]_{eqm}\space [Cl^-]_{eqm}$$
Para calcular las unidades necesarias, sustituye las unidades de concentración utilizadas en la expresión del producto de solubilidad y expande los paréntesis:
$$unidades=(mol\space dm^{-3})\space (mol\space dm^{-3})$$ $$unidades=mol^2\space dm^{-6}$$
Aquí tienes otro ejemplo. En éste, tienes que escribir tú mismo una ecuación de equilibrio.
Encuentra la expresión del producto de solubilidad y sus unidades para el equilibrio de solubilidad formado entre el fluoruro cálcico sólido y su propia disolución saturada.
En primer lugar, necesitamos escribir una ecuación de equilibrio. El fluoruro de calcio tiene la fórmula CaF2. Un mol de CaF2 se disuelve en un mol de iones Ca2+ positivos y dos moles de iones F- negativos:
$$CaF_2(s)πrightleftharpoons Ca^{2+}(aq)+2F^-(aq)$$
Eso significa que en la expresión del producto de solubilidad, elevamos [Ca2+] a la potencia de 1 y [F-] a la potencia de 2:
$$K_{sp}=[Ca^{2+}]_{eqm}\space {[F^-]_{eqm}}^2$$
Si sustituimos las unidades de concentración en cada término de la expresión y expandimos todos los paréntesis, llegamos a nuestras unidades finales para el producto de solubilidad:
$$unidades=(mol\space dm^{-3})\space (mol\space dm^{-3})^2$$ $$unidades=mol^3\space dm^{-9}$$
Por supuesto, sólo son expresiones del producto de solubilidad. Para hallar el valor del producto de solubilidad propiamente dicho, tienes que sustituir las concentraciones de equilibrio de los iones disueltos en la expresión del producto de solubilidad que acabas de elaborar y, a continuación, expandir todos los paréntesis para llegar a tu respuesta final. Te mostraremos cómo hacerlo (junto con otros problemas matemáticos que implican equilibrios de solubilidad) en Cálculos del producto de solubilidad.
Usos del producto de solubilidad
Está muy bien saber qué es el producto de solubilidad, pero ¿para qué sirve?
Pues bien, el producto de solubilidad tiene algunos usos. En concreto:
- El producto de solubilidad nos da una indicación de la solubilidad. En general, cuanto mayor es el valor del producto de solubilidad, mayor es la sol ubilidad de la especie iónica.
- Podemos utilizar el producto de solubilidad para calcular cuantitativamente la solubilidad de una especie poco soluble.
- Solemos considerar ligeramente solubles las especies con un producto de solubilidad inferior a 1, 0.
- En cambio, las especies con un producto de solubilidad superior a 1,0 se consideran totalmente solubles. Los valores del producto de solubilidad no son realmente relevantes para estas especies, por lo que no solemos utilizarlos en los cálculos de solubilidad.
- También podemos utilizar el producto de solubilidad para predecir si una sal precipitará o no si cambiamos las condiciones de equilibrio. Lo veremos a continuación.
Calcular la solubilidad a partir del producto de solubilidad es otro ejemplo de los cálculos de equilibrio de solubilidad, que merecen un artículo propio: dirígete a Cálculos del producto de solubilidad para ver un montón de ejemplos prácticos y consejos útiles.
Producto de solubilidad y efecto del ion común
El producto de solubilidad es una constante de equilibrio. La pista está en el nombre: es constante para una determinada reacción a una temperatura específica. Podemos cambiar otros factores, como el pH y la concentración de iones, pero el producto de solubilidad no cambia. En cambio, cambia la posición del equilibrio de solubilidad para mantener igual el producto de solubilidad. Esto cambia la solubilidad de la especie iónica.
Desplazamiento de la posición de un equilibrio: deberías reconocer esta frase del Principio de Le Chatelier. Ahora sería un buen momento para volver a leer ese artículo si te sientes un poco oxidado sobre el tema, ya que un conocimiento profundo del principio de Le Chatelier te ayudará a comprender las ideas siguientes.
Exploremos la idea de modificar la solubilidad cambiando la concentración de un ion concreto en la solución. Laadición de un ion común a una solución saturada de una sal ligeramente soluble hace que una mayor cantidad de la sal precipite fuera de la solución, disminuyendo así su sol ubilidad . Esto se conoce como efecto del ion común.
Un ion común es un ion que se encuentra en dos compuestos diferentes. El efecto del ion común afirma que las especies iónicas son menos solubles en soluciones que contienen un ion común.
Por ejemplo, considera lo que ocurre cuando añades MgSO4 acuoso a una solución saturada de MgCO3.
- El MgSO4 es totalmente soluble. Esto significa que la primera solución, que llamaremos A, contiene una alta concentración de iones Mg2+ y SO42-.
- Sin embargo, el MgF2 es sólo ligeramente soluble. Esto significa que la segunda solución, que llamaremos B, contiene una baja concentración de iones Mg2+ y CO32-. Como la solución B está saturada, encontrarás los iones acuosos junto al sólido MgCO3 sin disolver. Podemos representar el equilibrio de solubilidad con la ecuación \(MgCO_3(s)\rightleftharpoons Mg^{2+}(aq)+CO_3^{2-}(aq)\)
- Observa que el Mg2+ es un ion común: se encuentra en ambas soluciones.
- Si añadimos la solución A a la solución B, aumentamos la concentración de iones Mg2+ en la solución. Esto altera el equilibrio. Según el principio de Le Chatelier, la posición del equilibrio de solubilidad se desplaza hacia la izquierda, provocando la precipitación de MgCO3 adicional fuera de la solución para compensar la perturbación y restablecer el equilibrio. Como resultado, la solubilidad del MgCO3 disminuye.
También podemos considerar el efecto del ion común en términos del producto de solubilidad. Si añadimos A a B, aumenta la concentración de Mg2+. Si sustituyéramos esta nueva concentración en la expresión del producto de solubilidad, veríamos que el producto de solubilidad aumenta. Sin embargo, sabemos que el producto de solubilidad es constante para una reacción determinada a una temperatura concreta: no puede cambiar a menos que cambiemos la temperatura. Por tanto, el sistema reacciona disminuyendo la concentración global de los iones implicados en el equilibrio de solubilidad (Mg2+ y CO32-) convirtiéndolos en MgCO3 sólido. De este modo, el producto de solubilidad puede utilizarse para predecir si una sal precipitará fuera de la solución o no.
Fig. 2 - a) Un sistema está en equilibrio. b) La adición de un ion común aumenta la concentración de soluto disuelto en la solución y altera el equilibrio. c) La posición del equilibrio se desplaza hacia la izquierda, lo que provoca que más soluto disuelto precipite fuera de la solución para restablecer el equilibrio. Así, la solubilidad del soluto disminuye
El mismo principio puede aplicarse para explicar el proceso de cristalización. La evaporación del agua de una solución saturada aumenta la concentración de iones soluto acuosos hasta que supera el valor del producto de solubilidad, con lo que el sistema se sale del equilibrio. Para mantener igual el producto de solubilidad, algunos de los iones soluto acuosos precipitan en un sólido, disminuyendo así su concentración y devolviendo el equilibrio al sistema.
Fig. 3 - a) Un sistema está en equilibrio. b)La evaporación del agua aumenta la concentración de iones de soluto disueltos, sacando al sistema del equilibrio. c) El principio de Le Chatelier nos dice que la posición del equilibrio se desplaza hacia la izquierda para oponerse a la perturbación. Esto hace que precipite más soluto y se restablezca el equilibrio.
Espero que ahora te sientas cómodo con los productos de solubilidad y su uso. Si quieres echar un vistazo, aquí tienes algunos "Cálculos de productos" de solubilidad para que los estudies.
Producto de solubilidad - Puntos clave
- Una especie soluble es aquella capaz de disolverse en disolvente.
- Todos los sistemas que contienen una sal iónica sólida en contacto con su propia solución saturada forman un equilibrio dinámico conocido como equilibrio de solubilidad.
- Podemos utilizar una constante de equilibrio conocida como producto de solubilidad (Ksp)para mostrar la concentración relativa de iones acuosos en un equilibrio de solubilidad.
- Para el equilibrio \(A_aB_b(s)\rightleftharpoons aA^{b+}(aq)+bB^{a-}(aq)\), el producto de solubilidad tiene la expresión \(K_{sp}={[A^{b+}]_{eqm}}^a\space {[B^{a-}]_{eqm}}^b\)
- Las unidades de la constante de solubilidad varían según la ecuación de reacción.
- El producto de solubilidad es constante para una reacción determinada a una temperatura concreta.
- El producto de solubilidad ayuda a explicar el efecto del ion común: las especies iónicas son menos solubles en soluciones que contienen un ion común.
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