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En química, el proceso de precipitación se refiere bien sea a una reacción química o a un proceso físico mediante el cual se reduce la solubilidad de una sustancia en solución o se forma un compuesto insoluble, tras lo cual se forma un sólido a partir de la solución sobresaturada. Al sólido que se obtiene por medio de la reacción de precipitación se le denomina precipitado.
Dependiendo de las condiciones de precipitación, los precipitados formados pueden ser sustancias puras o mezclas de sólidos diferentes. La precipitación tiene múltiples aplicaciones en distintas áreas de la química, así como en otros procesos, tales como en la purificación de aguas residuales. A continuación se explica el proceso de formación de un precipitado, qué factores lo afectan y las aplicaciones más importantes de este tipo de sólidos.
El proceso de precipitación
La formación de un precipitado depende de una única propiedad de una sustancia: su solubilidad. Mientras la concentración de una sustancia sea menor que su solubilidad en el solvente, no se podrá formar un precipitado. El proceso de formación del precipitado comienza cuando, debido a la adición de un agente precipitante o a cambios en condiciones como la temperatura o el solvente, la solubilidad del compuesto disminuye por debajo de su solubilidad.
En ese punto, la solución estará en un estado de sobresaturación, por lo que el sólido comenzará a precipitar hasta alcanzar la concentración de saturación, estableciéndose así el equilibrio de solubilidad.
Al principio se forman miles de pequeñas partículas de sólido que quedan en suspensión, dándole un aspecto turbio a la solución. Este proceso se llama nucleación. Estos pequeños cristales luego crecen y se unen unos con otros por medio de un proceso llamado floculación; esto sucede hasta que su peso los arrastra hasta el fondo, donde sedimentan.
Como se puede ver en la figura, el sólido que se acumula en el fondo corresponde al precipitado, mientras que la solución que queda encima se denomina sobrenadante.
El producto de solubilidad
En el caso de los compuestos iónicos, el equilibrio de solubilidad está gobernado por la reacción de disolución y disociación del compuesto y por su constante de equilibrio, que se denomina constante del producto de solubilidad. Esto se puede representar en forma general como:
En esta ecuación química, a y b representan las cargas del catión Ma+ y del anión Ab-, respectivamente, así como los coeficientes estequiométricos de Ab- y Ma+. El Kps representa la constante del producto de solubilidad.
Conociendo la concentración de los iones en solución, se puede predecir si se formará o no un precipitado:
- Cuando el producto de las concentraciones de los iones en solución elevados a sus coeficientes estequiométricos es menor que el Kps, entonces la solución se encuentra insaturada y aún admite la disolución de más soluto. En este caso no se forma precipitado.
- Cuando dicho producto es exactamente igual al Kps, entonces la solución se encuentra saturada. No admite más soluto, pero tampoco se forma precipitado, ya que el sistema está en equilibrio.
- Cuando el producto de las concentraciones supera el Kps, entonces la solución está saturada y se forma un precipitado.
Técnicas para formar precipitados
En base a lo anterior, está claro que hay dos formas principales para formar un precipitado a partir de una solución inicialmente insaturada: o se incrementa la concentración de alguno o de los dos iones involucrados hasta sobresaturar la solución, o se reduce el valor de la constante de equilibrio de la reacción. Esto se suele lograr de dos maneras distintas:
Adición de agentes precipitantes
Este proceso consiste en agregar a la solución un compuesto que contenga uno de los dos iones del precipitado que queremos formar. Al aumentar la concentración de este ion, eventualmente se sobresaturará la solución y se comenzará a formar el precipitado deseado.
A la sustancia que se agrega para estimular la formación del precipitado se le denomina agente precipitante.
Disminución de la solubilidad
La otra forma de superar la solubilidad del compuesto que queremos precipitar es reduciendo su solubilidad, lo que implica reducir la constante del producto de solubilidad. Esto se puede hacer de dos maneras:
- Cambiando la temperatura. Como la mayoría de los solutos se vuelven menos solubles a medida que la temperatura disminuye, enfriar la solución ayuda a que se forme un precipitado.
- Modificando el solvente. Esto consiste en mezclar la solución lentamente con un segundo solvente que sea miscible con el primero, pero en el que el soluto sea menos soluble. A medida que aumenta la fracción del segundo solvente (que puede ser, por ejemplo, un alcohol), la solubilidad del soluto irá disminuyendo hasta llegar a la saturación. Luego de ese punto, se formará el precipitado.
Tipos de precipitados
Dependiendo el tamaño de las partículas del sólido formado y sus propiedades de sedimentación, se distinguen tres tipos de precipitado.
Precipitados cristalinos
Son aquellos formados por partículas sólidas con formas regulares y bien definidas, en general con caras planas. Suelen tener tamaños superiores a los 100nm. Estos usualmente se separan del líquido sobrenadante de forma rápida debido a una alta velocidad de sedimentación.
Precipitados caseosos
Estos están formados por partículas de entre 10 y 100nm de diámetro. No se pueden separar por filtración, ya que atraviesan fácilmente los poros de la mayoría de los filtros. Este tipo de precipitado le da una apariencia turbia a la solución.
Precipitados gelatinosos
Como su nombre lo indica, la aparición de estos precipitados le da a la solución una consistencia gelatinosa, como si se tratara de una mermelada. Esto se debe a que las partículas del sólido suspendido son muy pequeñas (su diámetro es menor que 10nm) y están cubiertas por varias capas de moléculas de solvente, a manera de un gel.
La precipitación química
Un término similar y relacionado con el uso de los precipitados en química es el proceso de “precipitación química”. A pesar de que pueda parecer redundante, este término en realidad se refiere específicamente al uso de reacciones de precipitación con la finalidad de eliminar impurezas del agua durante el tratamiento de aguas residuales.
En la precipitación química, se añaden agentes precipitantes, así como floculantes y otros reactivos químicos en grandes cantidades para remover metales pesados como mercurio y plomo, así como otros contaminantes importantes.
La precipitación química es un proceso multietapa que se lleva a cabo en 4 pasos, que son:
- Adición del agente precipitante y ajuste de pH. Este es el paso que reduce la solubilidad de los contaminantes para que comiencen a precipitar.
- Floculación. En general, tras la adición del precipitante, el contaminante no precipita, sino que forma una suspensión de pequeñas partículas sólidas. La floculación consiste en el proceso de agregación de estas pequeñas partículas para formar partículas de mayor tamaño que se separen con mayor facilidad de la solución sobrenadante.
- Sedimentación. Una vez se han formado flóculos o partículas sólidas de tamaño suficientemente grandes, el agua se deja reposar o fluir lentamente para permitir que dichas partículas sedimenten hasta el fondo, dejando la solución sobrenadante libre de toda contaminación.
- Separación sólido-líquido. La última etapa del proceso consiste en separar, usualmente por decantación, el barro con el precipitado del agua purificada, la cual se descarga en el medio ambiente.
Aplicaciones de la precipitación y de los precipitados
La precipitación se utiliza con mucha frecuencia en las distintas ramas de la química con distintos fines. Tanto la química analítica como la orgánica y la inorgánica se benefician de alguna forma con la formación de precipitados. Veamos algunos ejemplos específicos.
Los precipitados en química analítica
En química analítica, los precipitados se utilizan tanto en el análisis cualitativo como en el cuantitativo.
Los procesos de análisis cualitativos utilizados para identificar la presencia de ciertos cationes y aniones en una muestra a menudo se basan en la formación de precipitados y en su correcta identificación.
Por ejemplo, la formación de un precipitado de un color y no de otro ayuda a los químicos analíticos a deducir cuál catión está presente en la muestra. Incluso, a veces se puede saber en qué estado de oxidación se encuentra el catión en base al color y otras propiedades, ya que estos frecuentemente forman sales de colores marcadamente diferentes.
En el análisis cuantitativo, los precipitados son igualmente importantes. El análisis gravimétrico se basa en la precipitación cuantitativa de un analito a partir de una solución de la muestra. La masa de este precipitado permite determinar con buena precisión y exactitud la cantidad del mencionado analito que estaba presente en la muestra.
También hay casos en los que la formación de un precipitado marca el punto final de una titulación, como sucede en las precipitometrías.
Los precipitados en química orgánica
Los precipitados no son menos importantes en química orgánica. Los procesos de síntesis orgánica casi siempre se llevan a cabo en solución y, cuando los productos deseados son sólidos a temperatura ambiente, siempre se recuperan en forma de precipitados. Además, el proceso de recristalización, que es una de las formas más comunes de purificación de sólidos en química orgánica, también se basa en la disolución, purificación, precipitación y posterior filtrado de un precipitado.
Los precipitados en química inorgánica
Muchos procesos sintéticos en química inorgánica también se basan en la formación de precipitados. Muchas reacciones de síntesis de compuestos iónicos y de otros compuestos de coordinación como sales complejas consisten en la precipitación de un catión con el uso de un anión adecuado.
Además, los procesos de precipitación fraccionada también representan un método importante de separación de aniones y cationes en solución.
Ejemplos de precipitados
Haluros de plata
El ion plata (I) forma sales muy insolubles con todos los halógenos. Por esta razón, el AgI, el AgCl y el AgBr son ejemplos de precipitados que surgen de forma común en el laboratorio de química.
Carbonato de estroncio
Una de las maneras de eliminar estroncio de una solución o de aguas residuales es precipitarlo en forma de carbonato de estroncio (SrCO3) el cual es una sal muy insoluble.
Hidróxido de antimonio
El antimonio se suele precipitar en forma de su hidróxido (Sb(OH)3) simplemente por medio de la alcalinización de la solución. Esto se logra agregando algún hidróxido soluble como agente precipitante.
Tetrafenilborato de cesio
Los metales alcalinos son, en general, muy difíciles de precipitar, ya que la vasta mayoría de sus sales son electrolitos fuertes muy solubles en agua. Sin embargo, el cesio sí se puede precipitar en forma de tetrafenilborato de cesio ((C6H5)4BCs).
Sulfuro de cobre
El ion sulfuro en forma de sulfuro de sodio o de ácido sulfhídrico es un popular agente precipitante, ya que forma compuestos muy insolubles en medio alcalino con muchos metales de transición. Un ejemplo es el sulfuro de cobre (II). Estos compuestos se pueden solubilizar posteriormente en medio ácido.
Referencias
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Skoog, D. A., West, D. M., Holler, J., & Crouch, S. R. (2021). Fundamentos de Quimica Analitica (9th edition). Boston, Massachusetts: Cengage Learning.
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