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Equilibrio de solubilidad
Problema
2018 · Ordinaria · Reserva
6A
Examen

Basándose en las reacciones químicas correspondientes, calcule la concentración de ion fluoruro:

a) En una disolución saturada de fluoruro de calcio (CaFX2\ce{CaF2}).b) Si la disolución es además 0,2 M0,2 \text{ M} en cloruro de calcio (CaClX2\ce{CaCl2}).

Dato: Ks(CaFX2)=3,9⋅10−11K_s (\ce{CaF2}) = 3,9 \cdot 10^{-11}

SolubilidadEfecto del ion común
a) En una disolución saturada de fluoruro de calcio (CaFX2\ce{CaF2}).

El equilibrio de disolución del fluoruro de calcio es:

CaFX2(s)⇌CaX2+(aq)+2 FX−(aq)\ce{CaF2 (s) <=> Ca^{2+} (aq) + 2 F- (aq)}

La expresión de la constante del producto de solubilidad (KsK_s) es:

Ks=[CaX2+][FX−]2K_s = [\ce{Ca^{2+}}][\ce{F-}]^2

Si se define ss como la solubilidad molar de CaFX2\ce{CaF2}, las concentraciones en el equilibrio son:

CaFX2(s)⇌CaX2+(aq)+2 FX−(aq)Inicio−00Cambio−+s+2sEquilibrio−s2s\begin{array}{lccc} & \ce{CaF2 (s)} & \rightleftharpoons & \ce{Ca^{2+} (aq)} & + & \ce{2 F- (aq)} \\ \text{Inicio} & - & & 0 & & 0 \\ \text{Cambio} & - & & +s & & +2s \\ \text{Equilibrio} & - & & s & & 2s \\ \end{array}

Sustituyendo en la expresión de KsK_s:

Ks=(s)(2s)2=4s3K_s = (s)(2s)^2 = 4s^3

Con el valor de Ks=3,9⋅10−11K_s = 3,9 \cdot 10^{-11}:

3,9⋅10−11=4s33,9 \cdot 10^{-11} = 4s^3
s3=3,9⋅10−114=9,75⋅10−12s^3 = \frac{3,9 \cdot 10^{-11}}{4} = 9,75 \cdot 10^{-12}
s=9,75⋅10−123=2,136⋅10−4 Ms = \sqrt[3]{9,75 \cdot 10^{-12}} = 2,136 \cdot 10^{-4} \text{ M}

La concentración de ion fluoruro es:

[FX−]=2s=2⋅(2,136⋅10−4 M)=4,27⋅10−4 M[\ce{F-}] = 2s = 2 \cdot (2,136 \cdot 10^{-4} \text{ M}) = 4,27 \cdot 10^{-4} \text{ M}
b) Si la disolución es además 0,2 M0,2 \text{ M} en cloruro de calcio (CaClX2\ce{CaCl2}).

El CaClX2\ce{CaCl2} es una sal soluble que se disocia completamente, aportando iones CaX2+\ce{Ca^{2+}} a la disolución:

CaClX2(aq)→CaX2+(aq)+2 ClX−(aq)\ce{CaCl2 (aq) -> Ca^{2+} (aq) + 2 Cl- (aq)}

Dado que [CaClX2]=0,2 M[\ce{CaCl2}] = 0,2 \text{ M}, la concentración inicial de iones CaX2+\ce{Ca^{2+}} en la disolución es 0,2 M0,2 \text{ M} antes de que se disuelva el CaFX2\ce{CaF2}. Este es el efecto del ion común.El equilibrio de disolución del fluoruro de calcio es el mismo:

CaFX2(s)⇌CaX2+(aq)+2 FX−(aq)\ce{CaF2 (s) <=> Ca^{2+} (aq) + 2 F- (aq)}

Si se define s′s' como la nueva solubilidad molar de CaFX2\ce{CaF2}, las concentraciones en el equilibrio son:

CaFX2(s)⇌CaX2+(aq)+2 FX−(aq)Inicio−0,20Cambio−+s′+2s′Equilibrio−0,2+s′2s′\begin{array}{lccc} & \ce{CaF2 (s)} & \rightleftharpoons & \ce{Ca^{2+} (aq)} & + & \ce{2 F- (aq)} \\ \text{Inicio} & - & & 0,2 & & 0 \\ \text{Cambio} & - & & +s' & & +2s' \\ \text{Equilibrio} & - & & 0,2 + s' & & 2s' \\ \end{array}

Sustituyendo en la expresión de KsK_s:

Ks=(0,2+s′)(2s′)2K_s = (0,2 + s')(2s')^2

Debido al efecto del ion común, se espera que s′s' sea mucho menor que 0,2 M0,2 \text{ M}, por lo que se puede aproximar 0,2+s′≈0,20,2 + s' \approx 0,2.

3,9⋅10−11=(0,2)(2s′)23,9 \cdot 10^{-11} = (0,2)(2s')^2
3,9⋅10−11=0,2⋅4(s′)23,9 \cdot 10^{-11} = 0,2 \cdot 4(s')^2
3,9⋅10−11=0,8(s′)23,9 \cdot 10^{-11} = 0,8 (s')^2
(s′)2=3,9⋅10−110,8=4,875⋅10−11(s')^2 = \frac{3,9 \cdot 10^{-11}}{0,8} = 4,875 \cdot 10^{-11}
s′=4,875⋅10−11=6,982⋅10−6 Ms' = \sqrt{4,875 \cdot 10^{-11}} = 6,982 \cdot 10^{-6} \text{ M}

La concentración de ion fluoruro es:

[FX−]=2s′=2⋅(6,982⋅10−6 M)=1,40⋅10−5 M[\ce{F-}] = 2s' = 2 \cdot (6,982 \cdot 10^{-6} \text{ M}) = 1,40 \cdot 10^{-5} \text{ M}