UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS PROGRAMA DE QUÍMICA ASIGNATURA: 231010 QUÍMICA ANALÍTICA 1 TALLER No. 1
Prof. C. Caicedo
ESTUDIO SISTEMÁTICO DEL EQUILIBRIO QUÍMICO
Muchos sistemas químicos son extremadamente complejos, porque implican un gran número de reacciones que involucran muchas especies, entre las que se establecen diversos equilibrios químicos. Las disoluciones acuosas con frecuencia contienen varias especies que interaccionan con el agua y entre sí, dando lugar a dos o más equilibrios que ocurren de manera simultánea. El tratamiento sistemático del equilibrio nos proporciona las herramientas para tratar todos los tipos de equilibrios químicos, independientemente de su complejidad; este procedimiento consiste en escribir tantas ecuaciones algebraicas como incógnitas (especies) hay en el sistema o problema químico a tratar. Las ecuaciones se generan por lo general, escribiendo las constantes de todas las condiciones de equilibrio químico existentes, más otras dos ecuaciones: el balance de cargas y el balance de masa. Aunque solo hay un balance de cargas para una disolución dada, puede haber diferentes balances de masas. 1. Balance de cargas. El balance de cargas es una expresión de la electroneutralidad de las soluciones de electrolitos. Las soluciones de electrolitos son eléctricamente neutras: la concentración molar de los iones con carga positiva es igual a la concentración molar de los iones con carga negativa. Es decir para cualquier solución que contenga electrolitos se puede escribir:
n C
n
m Am
donde [C] es la concentración molar de un catión y n es la carga del catión; [A] es la concentración de un anión y m es su carga. En general un ion con carga ±b y concentración [M], contribuye con ±b[M] a la carga de la solución. Consideremos una disolución que se prepara pesando 0.0250 moles de KH2PO4 y 0.030 moles de KOH, diluyendo luego a 1 litro. La reacción entre estas dos especies produce los siguientes iones H +, OH-, K+, H2PO4-, HPO42- y PO43-. La ecuación del balance de cargas es:
H K OH H2PO4 2 HPO42 3 PO43
Ejemplo 1. Escriba la ecuación del balance de cargas eléctricas para el sistema que resulta cuando una disolución de NH 3 0.01M se satura con AgBr. Cuando se satura la solución con AgBr, se establecen los siguientes equilibrios:
El de solubilidad del AgBr: Ag Br
AgBr (s )
Los de formación de los complejos Ag-NH 3: Ag NH3 AgNH3 NH3
Ag (NH 3 )2
El de hidrólisis del NH 3: NH3 H2O
AgNH 3
H3O OH
y el de autoprotólisis del agua: 2H2O
H3O OH
Por tanto, la ecuación del balance de cargas es:
Ag AgNH3 Ag(NH3 )2 H3O NH4 OH Br
2. Balance de masas. El balance de masas, también llamado balance de materia es una expresión de la conservación de la materia. La ecuación del balance de masas relaciona las concentraciones de las distintas especies entre sí y con las concentraciones analíticas de los diferentes solutos y establece que: la cantidad de todas las especies que contienen un átomo (o grupo de átomos) determinado en una disolución, debe ser igual a la cantidad de átomos (o grupos de átomos) introducidos en la disolución. Consideremos una disolución de ácido acético que se prepara disolviendo 0.050 moles en agua y diluyendo a un volumen de 1.00 litro. El ácido acético se disocia parcialmente en iones acetato. CH3COOH H 2O
H3O CH3COO
El balance de masas afirma que la cantidad de ácido acético disociado y no disociado que existe en la disolución debe ser igual a la cantidad de ácido acético utilizada para preparar la disolución. Por tanto, la ecuación del balance de masas es:
CH3COOH CH3COO CCH COOH 0.050M 3
Ejemplo 2. Escriba las expresiones del balance de masa para el sistema que resulta de saturar una disolución de NH 3 0.010 M con AgBr. Los equilibrios que se establecen son los expresados en el ejemplo 1. En ellos se observa que el AgBr disocia el ion Ag + a la misma concentración que el ion Br -, por lo que sus concentraciones serán iguales. Pero el ion Ag + se compleja con el NH 3 y forma otras especies; entonces la expresión del balance de masas es:
Ag AgNH3 Ag(NH3 )2 Br Asimismo se sabe que la única fuente de especies que contienen amoniaco es la disolución de NH 3 0.010 M, por tanto la otra expresión del balance de masas para el amoníaco es:
NH3 AgNH3 Ag(NH3 )2 NH4 CNH 0.010M 3
3. Tratamiento sistemático del equilibrio. En la resolución de problemas de equilibrio químico pueden definirse algunos pasos que orienten el cálculo de las concentraciones de las especies coexistentes en ellos. Estos pasos son:
Paso 1. Escribir las ecuaciones representativas de todos los equilibrios que involucran las diferentes especies. Paso 2. Expresar las respectivas constantes de los equilibrios existentes. Paso 3. Escribir la ecuación del balance de cargas eléctricas. Paso 4. Escribir la ecuación del balance de masa. Puede haber más de una ecuación. Paso 5. Contar el número de ecuaciones y de especies (incógnitas). Debe haber el mismo número de ecuaciones que de especies químicas o incógnitas. Paso 6. Hacer las aproximaciones apropiadas que permitan simplificar los cálculos algebraicos. Paso 7. Resolver el sistema de n ecuaciones con n incógnitas. Paso 8. Verificar la validez de las aproximaciones realizadas en el paso 6.
EJERCICIOS: 1. Escribir la expresión del balance de cargas para las siguientes soluciones acuosas: a. Una solución que contiene H +, OH-, Ca2+, HCO3-, CO32-, Ca(HCO3)+, Ca(OH)+, K+ y CLO4-. b. Una solución de H 2SO4 si el H2SO4 se disocia en HSO 4- y SO42-. c. Una solución que contiene NaCl, Ba(ClO 4)2 y Al2(SO4)3. 2. Escriba las ecuaciones del balance de masa para las siguientes soluciones: a. Una solución de NaCH 3COO 0.1 M. b. Una solución saturada de CaF 2 si la reacción de disociación es: CaF2 (s )
Ca2 2F
y además el Fˉ produce HF, HF 2ˉ y CaF2+.
3. Escriba el balance de masa de una solución acuosa de Ca 3(PO4)2 si las especies acuosas son Ca 2+, PO43-, HPO42-, H2PO4ˉ y H3PO4. 4. Escriba la ecuación del balance de cargas eléctricas y las ecuaciones del balance de masas de las siguientes soluciones acuosas: a. Una solución de H 3PO4 0.10 M. b. Una solución saturada de CaF 2 que contiene NaF 0.025 M y en la que se forman las especies señaladas en el ejemplo del ejercicio anterior 2.b 5. Cuando se disuelve el sulfato de amonio, tanto el catión como el anión experimentan reacciones ácido-base:
NH4 2 SO4 (s) NH 4 SO42 H2O
2NH4 SO42
NH3 (ac ) H HSO4 OH
Kps 276
K a 5.70 1010 K b 9.80 1013
a. Escribir la ecuación del balance de cargas para este sistema b. Escribir la ecuación del balance de masas c. Hallar la concentración de NH 3(ac) si el pH se fija a 9.25
Ciudadela Universitaria del Atlántico, Barranquilla, 22 de marzo de 2014
