UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICOFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

PROGRAMA DE QUÍMICA

ASIGNATURA: 231010 QUÍMICA ANALÍTICA 1 Prof. C. Caicedo

TALLER No. 1 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:

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:

Ejemplo 1. Escriba la ecuación del balance de cargas eléctricas para el sistema que resulta cuando una disolución de NH3 0.01M se satura con AgBr.

Cuando se satura la solución con AgBr, se establecen los siguientes equilibrios:

El de solubilidad del AgBr:

Los de formación de los complejos Ag-NH3:

El de hidrólisis del NH3:

y el de autoprotólisis del agua:

Por tanto, la ecuación del balance de cargas es:

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.

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:

Ejemplo 2. Escriba las expresiones del balance de masa para el sistema que resulta de saturar una disolución de NH3 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 NH3 y forma otras especies; entonces la expresión del balance de masas es:

Asimismo se sabe que la única fuente de especies que contienen amoniaco es la disolución de NH3 0.010 M, por tanto la otra expresión del balance de masas para el amoníaco es:

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-, CO3

2-, Ca(HCO3)+, Ca(OH)+, K+ y CLO4

-.b. Una solución de H2SO4 si el H2SO4 se disocia en HSO4

- y SO42-.

c. Una solución que contiene NaCl, Ba(ClO4)2 y Al2(SO4)3.

2. Escriba las ecuaciones del balance de masa para las siguientes soluciones:a. Una solución de NaCH3COO 0.1 M.b. Una solución saturada de CaF2 si la reacción de disociación es:

y además el Fˉ produce HF, HF2ˉ y CaF2+.

3. Escriba el balance de masa de una solución acuosa de Ca3(PO4)2 si las especies acuosas son Ca2+, PO4

3-, 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 H3PO4 0.10 M.b. Una solución saturada de CaF2 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:

a. Escribir la ecuación del balance de cargas para este sistemab. Escribir la ecuación del balance de masasc. Hallar la concentración de NH3(ac) si el pH se fija a 9.25

Ciudadela Universitaria del Atlántico, Barranquilla, 22 de marzo de 2014