6.4: Equilibrios de distribución

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Un sistema puede contener más de una fase, y más de una sustancia química puede estar presente en cada fase. Si una de las sustancias está presente en dos fases, decimos que la sustancia se distribuye entre las dos fases. Podemos describir cuantitativamente la distribución de equilibrio especificando la concentración de la sustancia en cada fase. A temperatura constante, encontramos experimentalmente que la relación de estas concentraciones es aproximadamente constante. Dejando\(A\) ser la sustancia que se distribuye, encontramos para el equilibrio de distribución

\[A\left(phase\ 1\right)\rightleftharpoons A\left(phase\ 2\right)\]

la constante de equilibrio

\[K=\frac{\left[A\right]_{phase\ 2}}{\left[A\right]_{phase\ 1}}\]

donde\(K\) varía con la temperatura y la presión.

Por ejemplo, la yodineiodina es ligeramente soluble en agua y mucho más soluble en cloroformo. Dado que el agua y el cloroformo son esencialmente inmiscibles, un sistema que contiene agua, cloroformo y yodo contendrá dos fases líquidas. Si no hay suficiente yodo presente para hacer una solución saturada con ambos líquidos, el sistema alcanzará el equilibrio con todo el yodo disuelto en los dos disolventes inmiscibles. Experimentalmente, la relación de concentración de equilibrio

\[K=\frac{\left[I_2\right]_{water}}{\left[I_2\right]_{chloroform}}\]

es aproximadamente constante, cualesquiera que sean las cantidades de las tres sustancias que se mezclen.

Comenzamos nuestro desarrollo de la química física razonando sobre los efectos de las concentraciones en las propiedades de los sistemas químicos. En el Capítulo 5, encontramos que las leyes de velocidad expresadas mediante variables de concentración son adecuadas para el análisis de los mecanismos de reacción. La consideración de estas leyes de velocidad nos lleva a la constante de equilibrio para una reacción química expresada en función de las concentraciones. Eventualmente, sin embargo, descubrimos que una teoría adecuada del equilibrio químico debe expresarse utilizando nuevas cantidades, a las que llamamos actividades químicas\({}^{2}\). Podemos pensar en una actividad química como una “concentración efectiva” o una “concentración corregida”, donde la corrección es por los efectos de las interacciones intermoleculares. Cuando permitimos los efectos de las interacciones intermoleculares, encontramos que debemos reemplazar los términos de concentración por actividades químicas. Para la constante de equilibrio de distribución, tenemos

\[K=\frac{\tilde{a}_{A,phase\ 2}}{\tilde{a}_{A,phase\ 1}}\]

donde\(\tilde{a}_{A,phase\ 1}\) denota la actividad química de las especies\(A\), en la fase 1, en equilibrio.