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4.2 Reacciones de precipitación
En la figura 4.4 ¥ vemos cómo se mezclan dos disoluciones, una que contiene nitrato
de plomo [Pb(NO3)2] y otra que contiene yoduro de potasio (KI). La reacción entre
estos dos solutos da origen a un producto amarillo insoluble. Las reacciones que
dan por resultado la formación de un producto insoluble se denominan reacciones
de precipitación. Un precipitado es un sólido insoluble que se forma por una reacción
en disolución. En la figura 4.4, el precipitado es yoduro de plomo (PbI2), un
compuesto que tiene una solubilidad muy baja en agua:
[4.4]
El otro producto de esta reacción, nitrato de potasio, permanece en disolución.
Se dan reacciones de precipitación cuando ciertos pares de iones con carga opuesta se
atraen con tanta fuerza que forman un sólido iónico insoluble. Para predecir si ciertas combinaciones
de iones forman o no compuestos insolubles, necesitamos considerar algunas
reglas o lineamientos que atañen a la solubilidad de los compuestos iónicos comunes.
Pb(NO3)2(ac) + 2KI(ac)¡ PbI2(s) + 2KNO3(ac)
2 KI(ac) Pb(NO3)2(ac) PbI2(s) 2KNO3(ac)
Á Figura 4.4 La adición de una disolución incolora de yoduro de potasio (KI) a una
disolución incolora de nitrato de plomo [Pb(NO3)2] produce un precipitado amarillo de
yoduro de plomo (PbI2) que lentamente se asienta al fondo del vaso.
TABLA 4.1 Reglas de solubilidad para compuestos iónicos comunes
Compuestos iónicos solubles Excepciones importantes
Compuestos que contienen Ninguna
Ninguna
Compuestos de Ag , Hg2
2 y Pb2
Compuestos de Ag , Hg2
2 y Pb2
Compuestos de Ag , Hg2
2 y Pb2
Compuestos de Sr2 , Ba2 , Hg2
2 y Pb2
Compuestos iónicos insolubles Excepciones importantes
Compuestos que contienen Compuestos de NH4
, los cationes de
metales alcalinos, y Ca2 , Sr2 y Ba2
Compuestos de NH4
y los cationes de
metales alcalinos
Compuestos de NH4
y los cationes de
metales alcalinos
Compuestos de los cationes de metales
alcalinos, y Ca2 , Sr2 y Ba2
OHPO4
3-
CO3
2-
S2-
SO4
2-
IBr-
Cl-
C2H3O2
-
NO3
-
Reglas de solubilidad para compuestos iónicos
La solubilidad de una sustancia es la cantidad de esa sustancia que se puede disolver
en una cantidad dada de disolvente. Sólo 1.2 10 3 mol de PbI2 se disuelve en
un litro de agua a 25ºC. En nuestras explicaciones, nos referiremos a cualquier sustancia
con una solubilidad menor que 0.01 mol/L como insoluble. En tales casos la
atracción entre los iones con carga opuesta en el sólido es demasiado grande y las moléculas
de agua no pueden disgregarlos significativamente, así que la sustancia permanece
en su mayor parte sin disolverse.
Desafortunadamente, no existen reglas basadas en propiedades físicas sencillas,
como la carga iónica, para orientarnos si queremos predecir si un compuesto iónico
dado es soluble o no. Sin embargo, observaciones experimentales han dado pie a reglas
empíricas para predecir la solubilidad de los compuestos iónicos. Por ejemplo,
los experimentos han revelado que todos los compuestos iónicos comunes que contienen
el anión nitrato, NO3
, son solubles en agua. En la tabla 4.1 ¥ se presenta un
resumen de las reglas de solubilidad para los compuestos iónicos comunes. La tabla
está organizada con base en el anión del compuesto, pero revela muchas cosas importantes
acerca de los cationes. Observe que todos los compuestos iónicos comunes de
los iones de metales alcalinos (grupo 1A de la tabla periódica) y del ion amonio (NH4
) son
solubles en agua.
EJERCICIO TIPO 4.2
Clasifique los compuestos iónicos siguientes como solubles o insolubles en agua: (a) carbonato
de sodio (Na2CO3); (b) sulfato de plomo (PbSO4).
Solución
Análisis: Nos dan los nombres y fórmulas de dos compuestos iónicos y nos piden predecir si serán
solubles o insolubles en agua.
Estrategia: Podemos usar la tabla 4.1 para contestar la pregunta. Debemos concentrarnos en el
anión de cada compuesto porque la tabla está organizada por aniones.
Resolución: (a) Según la tabla 4.1, casi todos los carbonatos son insolubles, pero los carbonatos
de los cationes de metales alcalinos (como el ion sodio) son una excepción de la regla y son solubles.
Por tanto, Na2CO3 es soluble en agua.
(b) La tabla indica que, si bien casi todos los sulfatos son solubles en agua, el de Pb2 es
una excepción. Por tanto, PbSO4 es insoluble en agua.
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Clasifique los compuestos siguientes como solubles o insolubles en agua: (a) hidróxido de cobalto(
II); (b) nitrato de bario; (c) fosfato de amonio.
Respuestas: (a) insoluble; (b) soluble; (c) soluble
Para predecir si se formará o no un precipitado cuando se mezclen soluciones
acuosas de dos electrólitos fuertes, debemos (1) tomar nota de los iones presentes en
los reactivos, (2) considerar las posibles combinaciones de los cationes y aniones, y (3)
usar la tabla 4.1 para determinar si cualquiera de esas combinaciones es insoluble. Por
ejemplo, ¿se formará un precipitado al mezclar soluciones de Mg(NO3)2 y de NaOH?
Dado que tanto el Mg(NO3)2 como el NaOH son compuestos iónicos solubles, ambos
son electrólitos fuertes. La mezcla de Mg(NO3)2(ac) y NaOH(ac) produce inicialmente
una disolución que contiene iones Mg2 , NO3
, Na y OH . ¿Cualesquiera
de los cationes interactuará con cualquiera de los aniones para formar un compuesto
insoluble? Además de los reactivos, las otras posibles interacciones son Mg2 con
OH y Na con NO3
. La tabla 4.1 nos dice que el Mg(OH)2 es insoluble y por tanto
formará un precipitado. El NaNO3, en cambio, es soluble, así que los iones Na y
NO3
permanecerán en disolución. La ecuación química balanceada para la reacción
de precipitación es
[4.5]
Reacciones de intercambio (metátesis)
En la ecuación 4.5 vemos que los cationes de los dos reactivos intercambian aniones:
el Mg2 se queda con el OH y el Na se queda con el NO3
. Las fórmulas químicas
de los productos se basan en las cargas de los iones: se requieren dos iones OH
para producir un compuesto neutro con Mg2 , y se necesita un ion NO3
para dar
un compuesto neutro con Na . •(Sección 2.7) Para poder balancear la ecuación,
es preciso determinar las fórmulas químicas de los productos.
Las reacciones en las que los iones positivos y los iones negativos parecen cambiar
de compañero se ajustan a la siguiente ecuación general:
[4.6]
Ejemplo:
Tales reacciones se denominan reacciones de intercambio o reacciones de metátesis
(que en griego significa “trasponer”). Las reacciones de precipitación se ajustan
a este patrón lo mismo que muchas reacciones ácido-base, como veremos en la Sección
4.3.
EJERCICIO TIPO 4.3
(a) Prediga la identidad del precipitado que se forma cuando se mezclan soluciones de BaCl2 y
K2SO4. (b) Escriba la ecuación química balanceada para la reacción.
Solución
Análisis: Nos dan dos reactivos iónicos y nos piden predecir el producto insoluble que forman.
Estrategia: Necesitamos escribir los iones presentes en los reactivos e intercambiar los aniones
de los dos cationes. Una vez que hayamos escrito las fórmulas químicas de esos productos, podremos
usar la tabla 4.1 para determinar cuál es insoluble en agua. Al conocer los productos, podremos
escribir la ecuación de la reacción.
Resolución: (a) Los reactivos contienen iones Ba2 , Cl , K y SO4
2 . Si intercambiamos los
aniones, tendremos BaSO4 y KCl. Según la tabla 4.1, casi todos los compuestos de SO4
2 son solubles,
pero los de Ba2 son una excepción. Por tanto, el BaSO4 es insoluble y se precipitará de
la disolución. El KCl, en cambio, es soluble.
(b) Por la parte (a), sabemos que las fórmulas químicas de los productos son BaSO4 y KCl.
La ecuación balanceada, indicando las fases, es
EJERCICIO DE APLICACIÓN
(a) ¿Qué compuesto se precipita cuando se mezclan disoluciones de Fe2(SO4)3 y LiOH? (b) Escriba
la ecuación balanceada de la reacción. (c) ¿Se formará un precipitado al mezclar soluciones
de Ba(NO3)2 y KOH?
Respuestas: (a) Fe(OH)3; (b) Fe2(SO4)3(ac) 6 LiOH(ac) →2Fe(OH)3(s) 3Li2SO4(ac); (c) No (ambos
posibles productos son solubles en agua)
BaCl2(ac) + K2SO4(ac)¡BaSO4(s) + 2KCl(ac)
AgNO3(ac) + KCl(ac)¡ AgCl(s) + KNO3(ac)
AX + BY¡ AY + BX
Mg(NO3)2(ac) + 2NaOH(ac)¡ Mg(OH)2(s) + 2NaNO3(ac)
Ecuaciones iónicas
Al escribir ecuaciones químicas para reacciones en disolución acuosa, suele ser útil
indicar explícitamente si las sustancias disueltas están presentes de forma predominante
como iones o como moléculas. Volvamos a considerar la reacción de precipitación
entre Pb(NO3)2 y 2KI, que mostramos en la figura 4.4:
Una ecuación escrita de este modo, mostrando las fórmulas químicas completas de
los reactivos y productos, se denomina ecuación molecular porque muestra las
fórmulas químicas de los reactivos y productos sin indicar su carácter iónico. Puesto
que tanto Pb(NO3)2 como KI y KNO3 son compuestos iónicos solubles y por
tanto electrólitos fuertes, podríamos escribir la ecuación química a modo de indicar
explícitamente los iones que están en la disolución:
[4.7]
Una ecuación escrita en esta forma con todos los electrólitos fuertes solubles como
iones se denomina ecuación iónica completa.
Adviértase que K (ac) y NO3
(ac) aparecen en ambos miembros de la ecuación
4.7. Los iones que aparecen en formas idénticas tanto entre los reactivos como entre
los productos de una ecuación iónica completa se llaman iones espectadores; están
presentes, pero no desempeñan un papel directo en la reacción. Si se omiten los iones
espectadores de la ecuación (se cancelan como cantidades algebraicas), nos queda
la ecuación iónica neta:
[4.8]
Las ecuaciones iónicas netas incluyen sólo los iones y moléculas que intervienen
directamente en la reacción. La carga se conserva en las reacciones, así que la suma
de las cargas de los iones debe ser la misma en ambos miembros de una ecuación iónica
neta balanceada. En este caso, la carga 2 del catión y las dos cargas 1 de los
aniones suman cero, la carga del producto eléctricamente neutro. Si todos los iones de
una ecuación iónica completa son espectadores, no hay reacción.
Las ecuaciones iónicas netas se usan ampliamente para ilustrar las similitudes
entre un gran número de reacciones en las que intervienen electrólitos. Por ejemplo,
la ecuación 4.8 expresa la característica esencial de la reacción de precipitación entre
cualquier electrólito fuerte que contiene Pb2 y cualquier electrólito fuerte que contiene
I : los iones Pb2 (ac) e I (ac) se combinan para formar un precipitado de PbI2.
Así, una ecuación iónica neta pone de manifiesto que más de un conjunto de reactivos
puede dar lugar a la misma reacción neta. La ecuación completa, en cambio, identifica
los reactivos reales que participan en una reacción.
Las ecuaciones iónicas netas también ponen de manifiesto que el comportamiento
químico de una disolución de electrólitos fuertes puede atribuirse a los diversos
tipos de iones que contiene. Las disoluciones acuosas de KI y las de MgI2, por ejemplo,
tienen muchas similitudes químicas porque ambas contienen iones I . Cada clase
de ion tiene sus propias características químicas, que son muy diferentes de las de
su átomo progenitor.
Los pasos que siguen resumen el procedimiento para escribir ecuaciones iónicas
netas:
1. Escribir una ecuación molecular balanceada para la reacción.
2. Replantear la ecuación mostrando los iones que se forman en disolución cuando
cada electrólito fuerte soluble se disocia en sus iones componentes (se ioniza).
Sólo los electrólitos fuertes disueltos en disolución acuosa se escriben en forma iónica.
3. Identificar y cancelar los iones espectadores.
Pb2+(ac) + 2I-(ac)¡ PbI2(s)
PbI2(s) + 2K+(ac) + 2NO3
-(ac)
Pb2+(ac) + 2NO3
-(ac) + 2K+(ac) + 2I-(ac)¡
Pb(NO3)2(ac) + 2KI(ac)¡ PbI2(s) + 2KNO3(ac)
Á Figura 4.5 Algunos ácidos
(izquierda) y bases (derecha) comunes
que se usan en el hogar.
HC2H3O2
HNO3
HCl
H
O
C
N
Cl
EJERCICIO TIPO 4.4
Escriba la ecuación iónica neta para la reacción de precipitación que se da cuando se mezclan
disoluciones de cloruro de calcio y carbonato de sodio.
Solución
Análisis: Nuestra tarea consiste en escribir una ecuación iónica neta para una reacción de precipitación,
dados los nombres de los reactivos presentes en disolución.
Estrategia: Primero necesitamos escribir las fórmulas químicas de los reactivos y productos y
determinar cuál producto es insoluble. Luego escribimos y balanceamos la ecuación molecular.
Acontinuación, escribimos los electrólitos fuertes solubles en forma de iones separados, para obtener
la ecuación iónica completa. Por último, eliminamos los iones espectadores para obtener
la ecuación iónica neta.
Resolución: El cloruro de calcio se compone de iones calcio, Ca2 , e iones cloruro, Cl ; por tanto,
una disolución acuosa de la sustancia es CaCl2(ac). El carbonato de sodio se compone de iones
Na y iones CO3
2 ; por tanto, una disolución acuosa de este compuesto es Na2CO3(ac). En
las ecuaciones moleculares de reacciones de precipitación, los aniones y cationes cambian de compañero.
Por tanto, juntamos Ca2 y CO3
2 para dar CaCO3 y juntamos Na y Cl para dar
NaCl. Según las reglas de solubilidad de la tabla 4.1, CaCO3 es insoluble y NaCl es soluble. La
ecuación molecular balanceada es
En una ecuación iónica completa, sólo los electrólitos sólidos disueltos (como los compuestos
iónicos solubles) se escriben como iones separados. Como nos recuerdan las designaciones
(ac), el CaCl2, Na2CO3 y NaCl están disueltos en la disolución. Además, todos son electrólitos
fuertes. El CaCO3 es un compuesto iónico, pero no es soluble; por ello, no escribimos su fórmula
como iones separados. Así, la ecuación iónica completa es
Cl y Na son iones espectadores. Si los cancelamos, obtendremos la ecuación iónica neta siguiente:
Comprobación: Podemos verificar nuestro resultado confirmando que tanto los elementos como
la carga eléctrica estén balanceados. Cada miembro tiene 1 Ca, 1 C y 3 O, y la carga neta en
cada miembro es igual a 0.
Comentario: Si ninguno de los iones de una ecuación iónica sale de la disolución o se transforma
de alguna manera, entonces todos son iones espectadores y no hay reacción.
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Escriba la ecuación iónica neta de la reacción de precipitación que se da cuando se mezclan disoluciones
acuosas de nitrato de plata y fosfato de potasio.
Respuesta: 3Ag (ac) PO4
3 (ac) →Ag3PO4(s)
4.3 Reacciones ácido-base
Muchos ácidos y bases son sustancias industriales y caseras (Figura 4.5 »), y algunos
son componentes importantes de los fluidos biológicos. Por ejemplo, el ácido
clorhídrico no sólo es un compuesto industrial importante, sino también el principal
constituyente del jugo gástrico del estómago. Además, los ácidos y bases son electrólitos
comunes.
Ácidos
Los ácidos son sustancias que se ionizan en disolución acuosa para formar iones hidrógeno
y así aumentar la concentración de iones H (ac). Dado que un átomo de
hidrógeno consiste en un protón y un electrón, H no es más que un protón. Por
ello, es común llamar a los ácidos donadores de protones. Al margen se muestran modelos
moleculares de tres ácidos comunes, HCl, HNO3 y HC2H3O2.
Las moléculas de diferentes ácidos pueden ionizarse para formar diferentes números
de iones H . Tanto el HCl como el HNO3 son ácidos monopróticos, que producen
un H por molécula de ácido. El ácido sulfúrico, H2SO4, es un ejemplo de ácido
Ca2+(ac) + CO3
2-(ac)¡CaCO3(s)
Ca2+(ac) + 2Cl-(ac) + 2Na+(ac) + CO3 CaCO3(s) + 2Na+(ac) + 2Cl-(ac)
2-(ac)¡
CaCl2(ac) + Na2CO3(ac)¡CaCO3(s) + 2NaCl(ac)