Laboratorio de Química Física: Determinación del coeficiente de reparto

 

Determinación del coeficiente de reparto

1. Introducción

El coeficiente de reparto (o de distribución) describe cómo se distribuye un soluto entre dos fases inmiscibles en equilibrio (usualmente una fase acuosa y una fase orgánica). Este parámetro es crucial para comprender y diseñar procesos de extracción líquido–líquido, purificación de compuestos, farmacocinética (absorción y biodisponibilidad de fármacos), análisis químico y fenómenos ambientales (movilidad de contaminantes).

De manera ideal, cuando el soluto A no reacciona, no se ioniza y no se asocia en alguna de las fases, su concentración a equilibrio obedece la Ley de Nernst de distribución:

donde K es constante a temperatura fija y para un par de disolventes dado. En sistemas reales, el valor observado puede desviarse por ionización (pH), asociación/dímeros en la fase orgánica, complejación, fuerza iónica, temperatura y interacciones específicas del soluto con el disolvente.

En esta práctica, los estudiantes:

• Determinarán K para el sistema ácido acético (CH₃​COOH) repartido entre n-butanol (fase orgánica) y agua (fase acuosa) a 25ºC.
• Relacionarán el concepto de K con el cociente de distribución aparente D cuando hay ionización:

• Aplicarán valoración ácido–base para cuantificar el ácido acético en alícuotas de cada fase.

Este experimento, además de consolidar fundamentos de equilibrio químico, estequiometría y análisis volumétrico, ofrece un ejemplo claro que podrán adaptar y explicar en aulas de secundaria al abordar mezclas, soluciones, pH y separaciones por extracción.

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Determinar el coeficiente de reparto del ácido acético entre n-butanol y agua a temperatura constante, analizando el efecto del pH y la fuerza iónica sobre la distribución.

2.2. Objetivos específicos

• Preparar y emplear un montaje de extracción líquido–líquido de manera segura.
• Valorar alícuotas de ambas fases con NaOH estandarizado para obtener concentraciones.
• Calcular K y, si se modifica el pH, el cociente de distribución aparente D.
• Evaluar fuentes de desviación respecto al comportamiento ideal.
• Desarrollar habilidades de registro y tratamiento de datos (tablas, cálculos e incertidumbre básica).
• Fortalecer la cultura de seguridad en la manipulación de disolventes inflamables y bases fuertes.

3. Fundamentos teóricos

3.1. Ley de Nernst de distribución

Para un soluto molecular A que no se ioniza ni asocia:

K depende de la afinidad del soluto por cada disolvente (polaridad, capacidad de formar enlaces de hidrógeno, parámetros de solubilidad) y de la temperatura.

3.2. Ionización y distribución aparente

Si A es un ácido débil (como el ácido acético: HA ⇌ H⁺ + A⁻), solo la especie no ionizada (HA) se extrae de forma significativa a la fase orgánica. En la fase acuosa, el equilibrio ácido–base controla la fracción no ionizada:

El cociente de distribución aparente:

Por tanto, a pH bajo (por debajo de pKa), D ≈ K; a pH alto, D disminuye.

3.3. Asociación y desviaciones

Algunos ácidos asocian (dimerizan) en la fase orgánica, lo que altera la proporcionalidad simple. También influyen la fuerza iónica (actividad), la solubilidad mutua de los disolventes y la temperatura.

3.4. Determinación experimental

El método “shake–flask” consiste en:

1. Preparar una mezcla de volúmenes conocidos de ambas fases con una cantidad conocida de soluto.
2. Agitar controladamente.
3. Dejar decantar hasta equilibrio.
4. Muestrear cada fase y cuantificar el soluto (aquí por valoración ácido–base con NaOH).
5. Calcular concentraciones y K.

4. Parte experimental

4.1. Materiales y reactivos

Material de laboratorio

• Embudo de separación (250–500 mL) y tapón.
• Soporte universal, aro y pinza para embudo.
• Probetas (50–100 mL), pipetas volumétricas (10–25 mL), bureta (50 mL).
• Erlenmeyers (125–250 mL), vasos de precipitados (100–250 mL).
• Termómetro (o baño termostatado a 25 \pm 1\,^\circ\text{C}).
• Agitador magnético (opcional).
• Papel indicador de pH o pH-metro.
• Embudos, papel filtro.
• Marcador indeleble y etiquetas.

Reactivos

• Ácido acético ~0.10 M en agua (preparado a partir de glacial).
• n-Butanol (fase orgánica).
• Hidróxido de sodio (NaOH) ~0.10 M estandarizado.
• Fenolftaleína.
• Cloruro de sodio (NaCl) sólido (opcional, para efecto “salting out”).
• Solución tampón (opcional, para variar pH de la fase acuosa).

Precauciones de seguridad

• n-Butanol: Líquido y vapor inflamables; irritante. Mantener lejos de llamas y chispas. Usar campana si es posible.
• Ácido acético glacial: Corrosivo, vapores irritantes. Preparar soluciones diluidas en campana, con gafas, guantes y bata. Agregar siempre ácido sobre agua.
• NaOH: Corrosivo; provoca quemaduras. Evitar contacto con piel y ojos. En caso de salpicadura, lavar de inmediato con abundante agua y acudir al lavaojos.
• Fenolftaleína: manipular evitando ingestión/inhalación.
• Trabajar con EPP completo: bata, gafas, guantes. Mantener el área ordenada. Gestionar residuos según se indica abajo.

Gestión de residuos

• Reunir la fase orgánica (butanol + ácido acético) en contenedor de residuos orgánicos.
• Neutralizar suavemente residuos alcalinos y ácidos antes de su disposición en contenedor de residuos acuosos del laboratorio, conforme a la normativa local.
• No verter disolventes orgánicos al desagüe.

4.2. Procedimientos

Nota: Mantener la temperatura 25 ± 1 °C. Rotular claramente “fase acuosa” y “fase orgánica”.

A. Preparación y extracción

1.     Medir 50.0 mL de solución acuosa de ácido acético 0.10 M y verter en el embudo de separación.

2.     Añadir 50.0 mL de n-butanol. (Opcional: para estudiar fuerza iónica, disolver previamente 1.0 g de NaCl en la fase acuosa).

3.     Tapar y agitar 5 minutos con pausas para desgasificar (abrir la llave ocasionalmente).

4.     Colocar el embudo en el aro y dejar decantar hasta separación nítida de fases.

5.     Registrar la temperatura de equilibrio.

B. Muestreo de fases

1.     Drenar cuidadosamente la fase acuosa a un vaso limpio.

2.     Recoger la fase orgánica en otro recipiente limpio.

3.     Si se observa turbidez o emulsión, filtrar por papel seco o esperar decantación adicional.

C. Cuantificación por valoración

1.     Valorar la fase acuosa:

• Pipetear 10 mL de la fase acuosa a un erlenmeyer.
• Añadir 2–3 gotas de fenolftaleína.
• Valorar con NaOH 0.10 M hasta persistencia de tono rosa pálido (≥30 s).
• Repetir por triplicado. Registrar volúmenes.

2.     Valorar la fase orgánica (dos opciones):

1. Opción segura y directa (recomendada): traspasar 5 mL de la fase orgánica a un erlenmeyer que contenga 10–15 mL de agua (para favorecer la disolución del ácido en el medio acuoso antes de valorar), agitar y luego titular con NaOH 0.10 M con fenolftaleína.
2. Opción directa: valorar 5.00 mL de fase orgánica añadiendo unas gotas de etanol para homogeneizar y titular con NaOH (requiere práctica y control; usar campana).
3. Hacer triplicados.
2. Registrar todos los volúmenes de NaOH y la temperatura.

D. (Opcional) Estudio del pH

1.     Repetir la extracción usando la misma concentración inicial de ácido acético, pero ajustando el pH de la fase acuosa (por ejemplo: pH ≈ 2 con HCl diluido; pH ≈ 5 con tampón; pH ≈ 9 con NaOH diluido).

2.     Repetir la cuantificación (pasos sección C). Esto permite comparar K vs D.

5. Observaciones y resultados

Completar cuidadosamente. Adjuntar cálculos en el orden indicado.

5.1. Datos de identificación

• Fecha: _____________
• Grupo: ______
• Integrantes: __________________________________
• Temperatura (°C): _______
• Volumen fase acuosa (inicial): 50 mL
• Volumen fase orgánica (inicial): 50 mL
• Concentración nominal NaOH: _______ M (estandarizada)
• pH inicial fase acuosa (si aplica): _______

5.2. Tablas de valoración

Tabla 1. Fase acuosa (alícuota 10 mL)

Ensayo	VNaOH (mL)	M(NaOH)	moles NaOH	moles ácido en alícuota	[HA]ac​ (mol/L)
1
2
3
Promedio

 

Tabla 2.- Fase orgánica (alícuota 5 mL) – valorada tras transferencia a agua

Ensayo	VNaOH (mL)	M(NaOH)	moles NaOH	moles ácido en alícuota	[HA]org​ (mol/L)
1
2
3
Promedio

 

5.3. Cálculos

1. Cálculo de concentración en cada fase:

    

2. Coeficiente de reparto (si pH bajo / sin ajuste):

3. Cociente de distribución aparente (si se modificó pH):

4. Balance de materia (control de coherencia): Moles iniciales de ácido acético en el sistema vs. suma de moles en ambas fases (ajustando por volúmenes y alícuotas).

5.4. Resultados

• K (25 °C): __________________
• (Si aplica) D a pH ____: ____________ ; a pH ____: ____________
• Comentario breve sobre tendencia observada: ___________________________________ ________________________________________________________________________

6. Cuestionario

1. Defina coeficiente de reparto y cociente de distribución aparente.
2. Deduzca la expresión:

para un ácido débil monoprótico. Indique los supuestos.

3. Reacciones químicas:

a) Escriba y balancee la reacción de neutralización del ácido acético con NaOH.
b) Si se hubiese empleado ácido benzoico, ¿cómo cambiaría la reacción de valoración? Escríbala.

4. ¿Por qué D → K cuando pH ≪ pKa? Explique físicamente.
5. Mencione tres causas de desviación respecto a la Ley de Nernst en sistemas reales.
6. ¿Cómo afecta la fuerza iónica o el agregado de NaCl al reparto? Explique el efecto “salting out”.
7. Identifique tres fuentes de error experimental y cómo mitigarlas (emulsiones, temperatura, lectura de bureta, etc.).
8. Proponga dos aplicaciones del coeficiente de reparto en docencia o industria (extracción, purificación, formulación farmacéutica).
9. En su rol como futuro docente, diseñe una actividad breve para secundaria que ilustre el concepto de extracción con materiales seguros de aula.
10. Si a 25ºC se obtiene una K = 3.2, estime D a pH = 2 y 6 (considere pKa(HA) ≈ 4.76).

7. Referencias bibliográficas

• Alberty, R. A., & Daniels, F. (2012). Química física. Limusa.
• Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.
• Christian, G. D. (2013). Analytical Chemistry (7th ed.). Wiley.
• Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9th ed.). W. H. Freeman.
• Shoemaker, D. P., Garland, C. W., & Nibler, J. W. (2009). Experiments in Physical Chemistry (8th ed.). McGraw-Hill.
• Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Química Analítica (9.ª ed.). Cengage.
• Vogel, A. I., Mendham, J., Denney, R. C., Barnes, J. D., & Thomas, M. J. K. (2000). Vogel’s Textbook of Quantitative Chemical Analysis (6th ed.). Prentice Hall.
• American Chemical Society. (2016). Safety in Academic Chemistry Laboratories (8th ed.). ACS Publications.