11.6: Equilibrios de distribución de fases

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Objetivos de aprendizaje

Los equilibrios de distribución de fases juegan un papel importante en los procesos de separación química tanto a escala industrial como de laboratorio. También están involucrados en el movimiento de químicos entre diferentes partes del ambiente, y en la bioconcentración de contaminantes en la cadena alimentaria.

A menudo sucede que dos fases líquidas inmiscibles están en contacto, una de las cuales contiene un soluto. ¿Cómo tenderá el soluto a distribuirse entre las dos fases? El primer pensamiento podría ser que parte del soluto migrará de una fase a la otra hasta que se distribuya equitativamente entre las dos fases, ya que esto correspondería a la dispersión máxima (aleatoriedad) del soluto. Esto, sin embargo, no toma en cuenta las diferentes solubilidades que el soluto podría tener en los dos líquidos; si tal diferencia existe, el soluto migrará preferencialmente a la fase en la que es más soluble.

Para un soluto\(S\) distribuido entre dos fases a y b el proceso S _a = S _b está definido por la ley de distribución

\[K_{a,b} = \dfrac{[S]_a}{[S]_b}\]

en el que

\(K_{a,b}\)es la relación de distribución (también llamada coeficiente de distribución) y
\([S]_i\)es la solubilidad del soluto en la fase.

biomagnificación

El transporte de sustancias entre diferentes fases es de inmensa importancia en campos tan diversos como la farmacología y la ciencia ambiental. Por ejemplo, si un fármaco va a pasar de la fase acuosa con el estómago al torrente sanguíneo, debe pasar a través de la fase lipídica (similar al aceite) de las células epiteliales que recubren el tracto digestivo. De igual manera, un contaminante como un residuo pesticida que es más soluble en aceite que en agua será preferentemente captado y retenido por organismos marinos, especialmente peces, cuyos cuerpos contienen más sustancias similares al aceite; este es básicamente el mecanismo por el que pueden sufrir residuos como el DDT biomagnificación a medida que se concentran en niveles más altos dentro de la cadena alimentaria. Por esta razón, las regulaciones ambientales requieren ahora que se establezcan relaciones de distribución de aceite-agua para cualquier nuevo químico que pueda encontrar su camino hacia las aguas naturales. La fase “oleosa” estándar que se usa casi universalmente es el octanol, C ₈ H ₁₇ OH.

En química preparativa frecuentemente es necesario recuperar un producto deseado presente en una mezcla de reacción extrayéndolo en otro líquido en el que sea más soluble que las sustancias no deseadas. A escala de laboratorio esta operación se realiza en un embudo separador como se muestra a continuación. Los dos líquidos inmiscibles se vierten en el embudo a través de la abertura en la parte superior. Luego se agita el embudo para poner las dos fases en contacto íntimo, y luego se reserva para permitir que los dos líquidos se separen en capas, que luego se separan permitiendo que el líquido más denso salga por la llave de paso en la parte inferior.

Si la relación de distribución es demasiado baja para lograr una separación eficiente en un solo paso, se puede repetir; existen dispositivos automatizados que pueden realizar cientos de extracciones sucesivas, cada una de las cuales produce un producto de mayor pureza. En estas aplicaciones nuestro objetivo es explotar el principio de Le Chatelier alterando repetidamente el equilibrio de distribución de fases que resultaría si dos fases permanecieran en contacto permanente.

Video\(\PageIndex{1}\): Cómo realizar una extracción líquido-líquido usando un embudo separador.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

La relación de distribución del yodo entre el agua y el disulfuro de carbono es de 650. Calcular la concentración de I ₂ restante en la fase acuosa después de agitar 50.0 mL de 0.10M I ₂ en agua con 10.0 mL de CS ₂.

Solución

La constante de equilibrio es

\[K_d = \dfrac{C_{CS_2}}{C_{H_2O}} = 650 \nonumber\]

mmol, entonces m ₂ = (5.00 — m ₁) mmol y ahora solo tenemos el único desconocido m ₁. La constante de equilibrio se convierte entonces

\[((5.00 – m_1) mmol / 10 mL) ÷ (m_1 mmol / 50 mL) = 650 \nonumber\]

Simplificar y resolver los rendimientos de m ₁

\[ \dfrac{(0.50 – 0.1)m_1}{(0.02 m_1} = 650 \nonumber\]

con m ₁ = 0.0382 mmol.

La concentración de soluto en la capa de agua es (0.0382 mmol)/(50 mL) = 0.000763 M, mostrando que casi todo el yodo se ha movido a la capa CS ₂.