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Precipitación en química

¿Alguna vez te has metido en la bañera, o en la ducha, y has pisado algo calcáreo y pegajoso? Si esa capa era blanca o gris, probablemente se trataba de restos de jabón. Es algo que querrás limpiar. 

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Precipitación en química

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¿Alguna vez te has metido en la bañera, o en la ducha, y has pisado algo calcáreo y pegajoso? Si esa capa era blanca o gris, probablemente se trataba de restos de jabón. Es algo que querrás limpiar.

Pero, ¿cómo se forma? El agua del grifo suele ser agua dura. El agua dura no es agua sólida o áspera, sino agua con ciertos minerales disueltos, como el magnesio. Entonces, la espuma del jabón se forma cuando el jabón y el agua dura reaccionan y forman un sólido (llamado precipitado).

En este artículo, aprenderemos sobre reacciones como esta, llamadas reacciones de precipitación y reacciones de precipitación fraccionada; comprenderemos qué son y cómo se producen

  • Este artículo es sobre la precipitación fraccionada.
  • Para comenzar, veremos qué es la precipitación en química.
  • Continuaremos con qué son las reacciones de precipitación y la constante de solubilidad.
  • Después, analizaremos la precipitación fraccionada.
  • Seguiremos con algunos ejemplos de reacciones de precipitación.
  • Para terminar, veremos los tipos de precipitación que existen.

¿Qué es la precipitación en química?

Antes de empezar a ver qué es una reacción de precipitación, es importante que sepamos qué es una reacción de doble sustitución:

En una reacción de doble sustitución, los cationes (especies con carga positiva) o los aniones (especies con carga negativa) de cada compuesto intercambian sus lugares y forman nuevos enlaces y productos.

Ahora, ya podemos ver qué es una reacción de precipitación:

Una reacción de precipitación es un tipo especial de reacción de doble sustitución, en la que dos compuestos solubles reaccionan para formar un sólido insoluble, llamado precipitado.

Precipitación en química Lluvia dorada StudySmarter

Fig. 1: Ejemplo de reacción de precipitación.

El precipitado son las partículas que se pueden observar dispersas por la mezcla.

Hay dos puntos claves en una reacción de precipitación:

  1. Los reactivos se han disuelto en el disolvente, por lo que existen como iones en solución.
  2. Los reactivos se combinan para formar una especie insoluble en agua, por lo que se forma un precipitado.

Ambas condiciones deben cumplirse para que una reacción pueda denominarse reacción de precipitación.

La solubilidad

Antes de continuar con los apartados siguientes, es muy importante que definamos lo que es la solubilidad.

Se denomina solubilidad de una sustancia a la cantidad de soluto que puede disolverse en un disolvente a una temperatura determinada.

Cuando un soluto se disuelve en un disolvente, debido a la atracción entre sus partículas, se forma una solución:

$$soluto\ +\ disolvente \rightarrow disolución$$

Los químicos se basan en la solubilidad para determinar la capacidad de un soluto para disolverse en un disolvente. La regla más importante de la solubilidad es que “lo semejante se disuelve con lo semejante”. Pero, ¿qué significa esto, exáctamente? Averigüémoslo.

Si tuviéramos un disolvente polar (como el agua (H₂O)), esperaríamos que los solutos polares (por ejemplo, los azúcares) o iónicos (como las sales iónicas) pudieran disolverse y formar una mezcla homogénea (solución).

Por otro lado, los solutos no polares (como las grasas y los aceites) no pueden disolverse en disolventes polares; esta es la razón por la que vemos capas separadas cuando añadimos aceite al agua. Los solutos no polares solamente pueden disolverse en disolventes no polares (como el hexano (C6H6)) porque carecen de carga y, por tanto, no pueden mezclarse con sustancias iónicas y polares:

  • Los disolventes no polares incluyen grasas, esteroides, ceras, benceno, hexano y tolueno. Disuelven los solutos no polares.
  • Los disolventes polares son el agua, los pequeños alcoholes e incluso el ácido acético. Disuelven los solutos polares.

Tipos de disoluciones y precipitación

También es muy importante que conozcamos los tipos de disoluciones que existen, en función de la cantidad de soluto que tienen disuelto y la relación que tiene esto con la formación de un precipitado (o no).

Las disoluciones se clasifican en saturadas, insaturadas y sobresaturadas, en función de la cantidad de soluto que se añade al disolvente y de sí todo el soluto se disuelve en él. Veamos la definición de cada una:

Disoluciones insaturadas o no saturadas

En las disoluciones no saturadas, la cantidad de soluto disuelto en el disolvente es inferior a la cantidad máxima.

Cuando se tiene una disolución no saturada, significa que se ha añadido una cantidad de soluto inferior a la cantidad máxima que es capaz de disolverse en el disolvente; si se decide añadirle más soluto, seguirá disolviéndose, hasta cierto punto.

Por ejemplo: la solubilidad del cloruro sódico (NaCl) en agua (H₂O) es de unos 36 gramos de NaCl por cada 100 gramos de agua a 30 °C.

  • Por tanto, si tienes 100 gramos de agua y le añades menos de 36 gramos del soluto NaCl, ¡se considerará una solución insaturada!
  • Ahora bien, si añadieras exactamente 36 gramos de NaCl a 100 gramos de H₂O, entonces tendrías ante ti una solución saturada.

Disoluciones saturadas

Vamos a ver ahora qué es una disolución saturada:

Una solución saturada es una solución que posee la cantidad máxima de soluto que puede disolverse por cantidad dada de disolvente, a una temperatura determinada.

Estas reacciones no forman precipitado; pero, si añadimos un poco más de soluto, lo formarán. Esto ocurre porque habremos superado la cantidad máxima de soluto que admite esa cantidad de disolvente a esa temperatura.

Disoluciones sobresaturadas

El tercer tipo de solución son las disoluciones sobresaturadas, veamos qué son:

Se denomina disolución sobresaturada a una solución que contiene más de la cantidad máxima de disolvente disuelto en una determinada cantidad de soluto.

Este tipo de disoluciones son bastante interesantes para este artículo, ya que fácilmente pueden formar un precipitado.

Reacción de precipitación

Ahora que ya sabemos lo básico, veamos algunas reacciones de precipitación.

Para empezar, observa cómo son las reacciones básicas:

$$AB_{(aq)} + CD_{(aq)} \rightarrow AD_{(aq)} + CB_{(s)}$$

Básicamente, A y C están intercambiando lugares. Mientras que AD sigue siendo soluble —permanece como iones en disolución—, CB no lo es —por lo que forma un precipitado—.

Algo clave, que hay que recordar, es que A y C tienen la misma carga: ambos son cationes o aniones.

En nuestro ejemplo, A y C son ambos cationes, ya que los cationes suelen ser la primera especie escrita en un compuesto. Básicamente, solo pueden intercambiarse porque su naturaleza es similar.

Cuando hablamos de reacciones de precipitación, a menudo queremos la ecuación iónica neta, en lugar de la ecuación química completa.

La ecuación iónica neta muestra solamente los iones, elementos y compuestos que participan directamente en la reacción.

Vamos a ver ahora un ejemplo de reacción de precipitación:

La siguiente ecuación es un ejemplo de reacción de precipitación:

\[NaCl_{(aq)} + AgNO_{3\\\,(aq)} \rightarrow NaNO_{3\,(aq)} + AgCl_{(s)}\]

Donde la ecuación iónica neta se ve así:

\[Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl_{(s)}\]

En primer lugar, aquí tenemos el aspecto de este ejemplo en solución:

. Precipitación en química Reacción en disolución StudySmarter

Fig. 2: Reacción de precipitación en disolución.

Cuando una especie es acuosa (aq), se ha disuelto en agua. Esto significa que está presente en forma de iones en solución (como se ve a la izquierda). Cuando estas especies reaccionan, el catión plata (Ag+) y el ion cloro (Cl-) forman un enlace y se convierten en un precipitado.

En cambio, cuando el catión sodio (Na+) y el ion nitrato (NO3-) reaccionan forman un sólido soluble, por lo que se vuelven a disolver y regrean a su estado iónico. En esencia, no ocurre nada, ya que pasan de ser un ion a volver a ser un ion.

Aquí es donde entra en juego la ecuación iónica neta. Esta ecuación solo nos muestra la reacción directa del precipitado. Los iones que se ignoran se llaman iones espectadores, porque no participan directamente.

La constante de solubilidad (Kps)

La solubilidad de una especie se mide mediante lo que llamamos la constante de solubilidad (Kps). Cuanto mayor es la Kps, más soluble es una especie.

Para una reacción general:

$$AB \rightarrow aA^+ + bB^-$$

Donde:

  • A es el catión.
  • B es el anión.
  • a y b son sus coeficientes respectivos.

La fórmula para Kps es la siguiente:

$$K_{ps}=[A^{+}]^{a}[B^{-}]^{b}$$

Relación de Kps con la precipitación

Saber cuál es el ion que alcanza antes el valor de Kps es muy importante: el que lo alcance antes será el que comience a precipitar.

Precipitación fraccionada

Veamos ahora qué es la precipitación fraccionada:

La precipitación fraccionada es un tipo de reacción de precipitación en la que hay dos o más iones presentes en la disolución; uno de ellos forma un precipitado, mientras que el otro (o los otros iones) permanecen disueltos en el disolvente.

La principal condición para que esto ocurra es que la diferencia en las solubilidades de los iones sea muy grande. El ion que tenga un valor de Kps menor, será el que forme el precipitado; mientras que el que tenga el valor de Kps más alto será el que se mantenga disuelto en la disolución.

Ejemplos de reacciones de precipitación

Las reacciones de precipitación pueden ser útiles para determinar qué iones hay en una disolución. Para mostrar esto, vamos a ver un ejemplo:

Tenemos un tubo de ensayo que contiene 50 ml de una disolución desconocida de nitrato. Una forma de determinar su identidad es hacer reaccionar la disolución con otra disolución acuosa, para producir un precipitado.

Creemos que el catión de la solución de nitrato es sodio (Na), plomo (Pb) o plata (Ag). Por ello, decidimos añadir 10 ml de yoduro potásico (KI) al tubo de ensayo.

Solución:

El yoduro es un ion muy soluble, y solo es insoluble cuando se combina con plata (Ag) o plomo (Pb). El yoduro de plata (AgI) es un sólido amarillo brillante o, a veces, grisáceo (debido a las impurezas); mientras que el yoduro de plomo (PbI2) es un sólido amarillo brillante.

  • Cuando se calienta el yoduro de plata, no se produce ningún cambio de color.
  • Sin embargo, si se calienta el yoduro de plomo, adquiere un color anaranjado o rojizo.

Esto significa que estamos buscando uno de estos tres resultados:

  • Si no se forma precipitado → El catión es sodio.
  • Si se forma un precipitado amarillo y el color no cambia al calentarlo → El catión es plata.
  • Si se forma un precipitado amarillo y el color cambia a naranja cuando se calienta → El catión es plomo.

Una vez añadida la solución de KI, comenzó a formarse un precipitado amarillo brillante. Después de que el precipitado se asentara, se calentó el tubo de ensayo. Esto hizo que el precipitado se volviera naranja, como se muestra a continuación:

. Precipitación en química Pasos del experimento de precipitado StudySmarter

Fig. 3: Pasos del experimento del precipitado.

Con base en esto, sabemos lo siguiente acerca de nuestra reacción:

$$AgNO_{3,(aq)} + KI_{(aq)} \rightarrow KNO_{3(aq)} + AI_{(s)}$$

  • Donde A es nuestro catión desconocido.

Dado que no solo se formó un precipitado amarillo, sino que el precipitado cambió a naranja al calentarlo, es probable que nuestra solución original fuera nitrato de plomo (Pb(NO3)2).

A continuación se muestra la reacción química real:

$$Pb(NO_3)_{2_{(aq)}} + 2KI_{(aq)} \rightarrow PbI_{2(s)} + KNO_{3(aq)} $$

Donde la ecuación iónica neta es:

$$Pb^{2+}_{(aq)} + 2I^{-}_{(aq)} \rightarrow PbI_{2(s)}$$

Veamos, ahora, un ejemplo de precipitación fraccionada:

Tenemos un recipiente con agua en el que se encuentran disueltos iones de calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) con unas concentraciones de 0,12 M y 0.10 M, respectivamente.

De acuerdo con esto, responde a la siguiente pregunta:

Si añadimos ácido fosfórico (H3PO4) lentamente a la disolución, ¿qué precipitado se formará?

Solución:

Ten en cuenta los siguientes datos:

  • Kps (Ca3(PO4)2)=1.4·10-13
  • Kps (Mg3(PO4)2 )=8.5·10-8

Empecemos viendo cómo es la reacción principal:

$$H_{3}PO_{4}\rightleftharpoons 3H^{+}+PO_{4}^{-}$$

La disociación del ácido fosfórico da como resultado protones e ion fosfato. Este ion fosfato tiene la capacidad de unirse a los iones de calcio y a los iones de magnesio, lo que da lugar a las siguientes reacciones:

$$2PO_{4}^{3-}+3Ca^{2+}\rightleftharpoons Ca_{3}(PO_{4})_{2}$$

$$2PO_{4}^{3-}+3Mg^{2+}\rightleftharpoons Mg_{3}(PO_{4})_{2}$$

Gracias a tener las dos constantes de solubilidad, podemos saber que la solubilidad del fosfato de calcio es mucho menor que la del fosfato de magnesio, por lo que precipitará antes. Pero para hacer esto numéricamente, necesitamos hacer los siguientes cálculos:

Primero, escribimos ambas reacciones:

$$Ca_{3}(PO_{4})_{2}\rightleftharpoons 3Ca^{2+}+2PO_{4}^{3-}$$$$Mg_{3}(PO_{4})_{2}\rightleftharpoons 3Mg^{2+}+2PO_{4}^{3-}$$

Luego, tenemos que calcular el equilibrio de solubilidad, por lo que tendremos, para el fosfato de calcio:

$$K_{ps}=[Ca^{2+}]^{3}\cdot [PO_{4}^{3-}]^{2}$$$$\sqrt{[PO_{4}^{3-}]^{2}}=\sqrt{\frac{K_{ps}}{[Ca^{2+}]^{3}}}$$$$[PO_{4}^{3-}]=\sqrt{\frac{1.4\cdot 10^{-13}}{(0.12)^{3}}}=9\cdot 10^{-6}M$$

Y para el fosfato de magnesio:

$$K_{ps}=[Mg^{2+}]^{3}\cdot [PO_{4}^{3-}]^{2}$$$$\sqrt{[PO_{4}^{3-}]^{2}}=\sqrt{\frac{K_{ps}}{[Mg^{2+}]^{3}}}$$$$[PO_{4}^{3-}]=\sqrt{\frac{8.5\cdot 10^{-8}}{0.1^{3}}}=9.2\cdot 10^{-3}M$$

Teniendo esto en cuenta, sabemos que el fosfato de calcio alcanzará antes la concentración necesaria para que se produzca el precipitado, por lo que precipitará antes. Esto es un proceso de precipitación fraccionada.

Tipos de precipitación

Tenemos varios tipos de precipitados que se pueden formar, en función de los solutos que hayamos disuelto en el disolvente. Esta tabla te explica cuáles y cómo son:

Tipo de precipitaciónDescripción
Precipitados gelatinososLas partículas de este tipo de precipitado son muy pequeñas, con un tamaño menor a 0.01μm. Este tipo de precipitados se forma cuando la cantidad de precipitado es pequeña y tiene un aspecto gelatinoso. Este precipitado se encuentra en el fondo del recipiente, generalmente.
Precipitados cristalinosLas partículas que forman el precipitado son bastante grandes, generalmente mayores de 0.1μm y tienen un aspecto de cristales, como su nombre indica. Se forma cuando el precipitado se genera de una manera lenta. Estas partículas suelen estar depositadas en el fondo del recipiente.
Precipitados granularesLas partículas que forman este precipitado son, también, pequeñas. La principal diferencia con el resto es que suelen ser porosas. Su forma es irregular; es decir, todas las partículas son diferentes.
Precipitados coloidalesComo su nombre indica, tienen aspecto de coloide; es decir, una mezcla que está formada por dos fases: una fluida y otra sólida, formada por partículas muy pequeñas que suelen quedarse flotando en el líquido. Se parece mucho a los precipitados gelatinosos, pero es menos viscoso.
Precipitados caseososEste tipo de precipitado está formado por partículas un poco más grandes que los precipitados gelatinosos, pero menor que los precipitados cristalinos; es decir, las partículas miden entre 0.01μm y 0.1μm. Se generan cuando el precipitado se ha formado de una manera muy rápida. En este caso, las partículas se encuentran suspendidas en el líquido.

Tabla 1: Precipitación en química: Tipos de precipitación.

Precipitación en química - Puntos clave

  • Una reacción de precipitación es un tipo especial de reacción de doble sustitución, en la que dos compuestos solubles reaccionan para formar un sólido insoluble llamado precipitado.
  • Se denomina solubilidad de una sustancia a la cantidad de soluto que puede disolverse en un disolvente a una temperatura determinada.
  • Se denomina disolución sobresaturada a una solución que contiene más de la cantidad máxima de disolvente disuelto en una determinada cantidad de soluto. Son las que forman precipitado.
  • La solubilidad de una especie se mide mediante lo que llamamos la constante de solubilidad (Kps). Cuanto mayor es la Kps, más soluble es una especie.
  • La precipitación fraccionada es un tipo de reacción de precipitación en la que hay dos o más iones presentes en la disolución; uno de ellos forma un precipitado, mientras que el otro o los otros iones permanecen disueltos en el disolvente.

References

  1. Fig. 1: Golden rain demostration (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Golden_rain_demonstration.jpg) by Sartnuphon (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Sartnuphon&action=edit&redlink=1) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Preguntas frecuentes sobre Precipitación en química

La precipitación selectiva es un tipo de precipitación en la que tenemos una disolución con dos o más iones. Uno de ellos forma un precipitado, mientras que el otro no precipita; es decir, se mantiene disuelto.


El ion que alcance antes el valor de Kps será el que comience a precipitar primero.

Las reacciones de precipitación consisten en un tipo de reacción de doble sustitución, en la que dos compuestos solubles reaccionan para formar un sólido insoluble, llamado precipitado.

Hay dos puntos clave en una reacción de precipitación:

  1. Los reactivos se han disuelto en el disolvente, por lo que existen como iones en solución.
  2. Los reactivos se combinan para formar una especie insoluble en agua, por lo que se forma un precipitado.

Además, la solución debe de estar sobresaturada.

Existen varios tipos de precipitados, entre los que se encuentran los precipitados gelatinosos, los precipitados cristalinos, los precipitados granulares, los precipitados coloidales y los precipitados caseosos.

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¿Verdadero o falso?: Las disoluciones saturadas tienen precipitado ya formado.

En una disolución no saturada, la cantidad de soluto disuelto en el disolvente es ____ al máximo que admite la cantidad de disolvente a esa temperatura concreta.

¿Qué tipo de reacciones son las reacciones de precipitación?

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