17.6: Precipitación y separación de iones

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Objetivos de aprendizaje

Calcule las concentraciones de iones para mantener un equilibrio heterogéneo.
Calcule el pH requerido para precipitar un hidróxido metálico.
Diseñe experimentos para separar iones metálicos en una solución de mezclas de metales.

Una mezcla de iones metálicos en una solución se puede separar por precipitación con aniones como ( ce {Cl -} ), ( ce {Br -} ), ( ce {SO4 ^ 2 -} ), ( ce {CO3 ^ 2 -} ), ( ce {S ^ 2 -} ), ( ce {Cr2O4 ^ 2 -} ), ( ce {PO4 ^ 2 -} ), ( ce {OH -} ) etc. Cuando un ion metálico o un grupo de iones metálicos forman sales insolubles con un anión particular, pueden separarse de otros por precipitación. También podemos separar los aniones precipitándolos con iones metálicos apropiados. No hay líneas divisorias definidas entre sales insolubles, escasamente solubles y sales solubles , pero las concentraciones de sus soluciones saturadas son pequeñas, medianas y grandes. Los productos de solubilidad generalmente se enumeran para sales insolubles y poco solubles, pero no se dan para sales solubles. Los productos de solubilidad para sales solubles son muy grandes.

¿Qué tipo de sales son generalmente solubles, escasamente solubles e insolubles? Las siguientes son algunas pautas generales, pero estas no son leyes precisas.

Todos los nitratos son solubles. Los iones grandes ( ce {NO3 -} ) grandes cargados individualmente forman sales con alta solubilidad. También lo hacen ( ce {ClO4 -} ), ( ce {ClO3 -} ), ( ce {NO2 -} ), ( ce {HCOO -} ) y ( ce {CH3COO -} ).
Todos los cloruros, bromuros y yoduros son solubles, excepto los de ( ce {Ag +} ), ( ce {Hg2 ^ 2 +} ) y ( ce {Pb ^ 2 +} ) ( ce {CaF2} ), ( ce {BaF2} ) y ( ce {PbF2} ) también son insolubles.
Todos los sulfatos son solubles, excepto los de ( ce {Ba ^ 2 +} ), ( ce {Sr ^ 2 +} ) y ( ce {Pb ^ 2 +} ) . Los sulfatos doblemente cargados son generalmente menos solubles que los haluros y nitratos.
La mayoría de los cationes de carga individual ( ce {K +} ), ( ce {Na +} ), ( ce {NH4 +} ) forman sales solubles. Sin embargo, ( ce {K3Co (NO2) 6} ) y ( ce {(NH4) 3Co (NO2) 6} ) son insolubles.

Estas son reglas útiles para nosotros si tratamos con sales a menudo. Por otro lado, la solubilidad es una propiedad física importante de una sustancia, y estas propiedades se enumeran en los manuales.

Separación química de iones metálicos

La formación de cristales a partir de una solución saturada es un fenómeno de equilibrio heterogéneo , y se puede aplicar para separar varios químicos o iones en una solución. Cuando las solubilidades de dos sales metálicas son muy diferentes, se pueden separar por precipitación. Los valores de K _sp para varias sales son información valiosa, y algunos datos se dan en la Tabla E3. En los primeros dos ejemplos, mostramos cómo el bario y el estroncio se pueden separar como cromato.

Ejemplo ( PageIndex {1} )

La K _sp para el cromato de estroncio es (3.6 times 10 ^ {- 5} ) y la K _{sp [19459046 ] para el cromato de bario es (1.2 times10 ^ {- 10} ). ¿Qué concentración de cromato de potasio precipitará la cantidad máxima de cromo de bario o de estroncio de una solución equimolar 0,30 M de iones de bario y estroncio sin precipitar la otra?}

SOLUCIÓN
Dado que la K _sp para el cromato de bario es más pequeña, sabemos que ( ce {BaCrO4} ) formará una precipite primero cuando ( ce {[CrO4 ^ 2-]} ) aumenta de modo que Q _sp para ( ce {BaCrO4} ) también aumente de cero a [ 19459043] K _sp de ( ce {BaCrO4} ), en cuyo punto, ( ce {BaCrO4} ) precipita. A medida que ( ce {[CrO4 ^ 2-]} ) aumenta, ( ce {[Ba ^ 2 +]} ) disminuye. El aumento adicional de ( ce {[CrO4 ^ 2-]} ) hasta Q _sp para ( ce {SrCrO4} ) aumenta a K [19459044 ] _sp de ( ce {SrCrO4} ); entonces precipita.

Escribamos las ecuaciones de equilibrio y los datos para ayudarnos a pensar. Además, deje que x sea la concentración de cromato para precipitar ( ce {Sr ^ 2 +} ), y y sea que precipite ( ce {Ba ^ 2 +} ). De acuerdo con la definición de K _sp tenemos,

[ begin {array} {cccccl}
ce {SrCrO4 & rightarrow & Sr ^ 2 + & + & CrO4 ^ 2-}, y K _ { ce {sp}} = 3.6 times 10 ^ { -5} \
&& 0.30 && x &
end {array} ]

[x = dfrac { textrm {3.6e-5}} {0.30} = 1.2 veces 10 ^ {- 4} M ]

( begin {array} {cccccl}
ce {BaCrO4 & rightarrow & Ba ^ 2 + & + & CrO4 ^ 2-}, y K _ { ce {sp}} = 1.2 times 10 ^ { -10} \
&& 0.30 && y &
end {array} )

(y = dfrac { textrm {1.2e-10}} {0.30} = 4.0 veces 10 ^ {- 10} ; M )

Las K _sp ‘s para las dos sales indican que ( ce {BaCrO4} ) son mucho menos solubles y precipitarán antes que cualquier ( ce {SrCrO4} ) precipita. Si la concentración de cromato se mantiene un poco menos de 1.2e-4 M, los iones ( ce {Sr ^ 2 +} ) permanecerán en la solución.

DISCUSIÓN

En realidad, controlar el aumento de ( ce {[CrO4 ^ 2-]} ) es muy difícil.

Ejemplo ( PageIndex {2} )

La K _sp para el cromato de estroncio es (3.6 times 10 ^ {- 5} ) y la K _{sp [19459046 ] para el cromato de bario es (1.2 veces 10 ^ {- 10} ). Se agrega cromato de potasio una pequeña cantidad a la vez para precipitar primero ( ce {BaCrO4} ). Calcule ( ce {[Ba ^ 2 +]} ) cuando el primer rastro de precipitado ( ce {SrCrO4} ) comience a formarse en una solución que contenga 0.30 M de cada uno de ( ce {Ba ^ 2 +} ) y ( ce {Sr ^ 2 +} ) iones.}

SOLUCIÓN

De la solución dada en el Ejemplo ( PageIndex {1} ), ( ce {[CrO4 ^ 2-]} = 3.6 times 10 ^ {- 4} ; M ) cuando ( ce {SrCrO4} ) comienza a formarse. En esta concentración, el ( ce {[Ba ^ 2 +]} ) se estima en (3.6 times 10 ^ {- 4} = 1.2 times 10 ^ {- 10} ).

La K _sp de ( ce {BaCrO4} ).

Por lo tanto,

( ce {[Ba ^ 2 +]} = textrm {3.33 times 10 ^ {- 7} , M} )

Muy pequeño, en comparación con 0,30. En el nuevo precipitado de ( ce {SrCrO4} ), la relación molar de ( ce {SrCrO4} ) a ( ce {BaCrO4} ) es 0.30 / 3.33e-7 = 9.0e5. En otras palabras, la cantidad de iones ( ce {Ba ^ 2 +} ) en el sólido es solo 1e-6 (1 ppm) de todos los iones metálicos, siempre que se elimine todo el sólido cuando ( ce { [CrO4 ^ 2-]} = textrm {3.6e-4 M} ).

DISCUSIÓN

El cálculo que se muestra aquí indica que la separación de ( ce {Sr} ) y ( ce {Ba} ) es bastante buena. En la práctica, un nivel de impurezas de 1 ppm es un valor muy pequeño.

Ejemplo ( PageIndex {3} )

¿Qué reactivo debe usar para separar los iones de plata y plomo que están presentes en una solución? ¿Qué datos o información se requerirán para esta tarea?

SOLUCIÓN

Se requieren K _sp para sales de plata y plomo. Enumeramos los K _sp ‘s para cloruros y sulfatos en una tabla aquí. Este valor se encuentra en el menú del manual de nuestro sitio web como Sales K _sp.

Sal	K _sp	Sal	K _sp
( ce {AgCl} )	(1,8 veces 10 ^ {- 10} )	( ce {Ag2SO4} )	(1,4 por 10 ^ {- 5} )
( ce {Hg2Cl2} )	(1.3 veces 10 ^ {- 18} )	( ce {BaSO4} )	(1.1 veces 10 ^ {- 10} )
( ce {PbCl2} )	(1,7 veces 10 ^ {- 5} )	( ce {CaSO4} )	(2,4 veces 10 ^ {- 5} )
		( ce {PbSO4} )	(6,3 por 10 ^ {- 7} )
		( ce {SrSO4} )	(3,2 veces 10 ^ {- 7} )

Debido a que K _sp ‘s ( ce {AgCl} ) y ( ce {PbCl2} ) son muy diferentes, el cloruro, ( ce {Cl -} ), aparece una buena selección de iones negativos para su separación.

La literatura también indica que ( ce {PbCl2} ) es bastante soluble en agua tibia, y al calentar la solución a 350 K (80 ^o C), puede mantener ( ce {Pb ^ 2 +} ) iones en solución y precipitar ( ce {AgCl} ) como un sólido. La solubilidad de ( ce {AgCl} ) es muy pequeña incluso a altas temperaturas.

DISCUSIÓN

Encuentre información más detallada sobre la solubilidad del cloruro de plomo en función de la temperatura.

¿Se puede usar sulfato para separar iones plata y plomo? ¿Cuál formará un precipitado primero a medida que aumente la concentración de iones sulfato? ¿Cuál es el ( ce {[Pb ^ 2 +]} ) cuando ( ce {Ag2SO4} ) comienza a precipitar en una solución que contiene 0.10 M ( ce {Ag +} )?

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