ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Произведение растворимости. Условия образования и растворения осадков.В аналитической практике, выполняя операции осаждения или отделения ионов, промывания и растворения осадков, имеют дело с гетерогенными (неоднородными) системами. Примером такой системы может быть насыщенный раствор, соприкасающийся с осадком того или иного вещества. Насыщенный раствор и осадок отделены друг от друга поверхностью раздела и являются фазами гетерогенной системы.

Предположим, малорастворимая соль АgCI приведена в соприкосновение с водой. При этом происходит:

- процесс растворения: ионы переходят в раствор, что можно выразить условно схемой:

АgCI↓ → Ag⁺ + CI^-

- процесс осаждения: ионы в растворе сталкиваются с поверхностью осадка и осаждаются, что условно можно отразить следующей схемой:

Аg⁺ + CI^- → AgCI↓

Постепенно скорость растворения уменьшается, а скорость осаждения увеличивается, что приводит к состоянию динамического равновесия, при котором число ионов, переходящих в раствор будет равно числу ионов, возвращающихся в осадок. Таким образом, получается насыщенный раствор хлорида серебра, в котором больше не наблюдается ни уменьшения осадка, ни накопления ионов.

К насыщенному раствору, как равновесной системе, применим закон действующих масс. Скорость растворения показывает число ионов, уходящих с поверхности осадка за определенное время. Значит, она должна быть прямо пропорциональна числу этих ионов на единице поверхности. В процессе растворения общая поверхность осадка уменьшается, но расположение ионов на ней остается неизменным. Следовательно, можно предположить, что скорость растворения (v₁), остается постоянной и равна v₁= k₁.

Скорость осаждения (v₂) зависит от числа столкновений ионов с поверхностью осадка. Следовательно, она прямо пропорциональна концентрации ионов в растворе:

v₂ = k₂ · [Ag⁺] ∙ [CI^-]

В насыщенном растворе скорости растворения и осаждения равны v₁= v₂. Отсюда

k₁ = k₂ · [Ag⁺] ∙ [CI^-] или [Ag⁺] ∙ [CI^-] = .

Отношение есть величина постоянная, которую называют произведением растворимости и обозначают ПР:

ПР_AgCI = [Ag⁺] ∙ [CI^-]

Для малорастворимого электролита в общем виде К_nA_m, диссоциирующего по уравнению

К_nA_m↔ n K^m+ + mA^n-,

математическое выражение ПР имеет вид:

, (20)

где - равновесные концентрации соответственно катионов и анионов; n и m – степени, соответствующие индексам в формуле малорастворимого электролита.

Произведение растворимости является количественной характеристикой способности малорастворимого электролита растворяться и позволяет предвидеть образование (или растворение) осадков при выполнении аналитических реакций.

Следует помнить, что осадок малорастворимого электролита образуется только тогда, когда произведение концентраций ионов (так называемое ионное произведение) превысит величину его произведения растворимости (при определенной температуре).

▲ Обучающие задачи

Задача №1

Растворимость СаСО₃ равна 0,0069 г/л. Вычислить .

Дано: Решение:

S(CaCO₃)=0,0069г/л Растворимость (Ѕ) – это способность вещества образовывать с другими

ПР - ? веществами растворы. Количественно Ѕ характеризуется максимальным количеством вещества, способным растворяться в растворителе при определенной t⁰С и давлении. Измеряется в моль/л, г/л, г/100г раствора.

Найдем молярную концентрацию раствора, зная что М(СаСО₃) = 100 г/моль:

СаСО₃ ↔ Са²⁺ + СО₃^2-

[Ca²⁺] = [CO₃^2-] = C_м (СаСО₃)

= 6,9∙10^-5 · 6,9·10^-5 = 4,76 · 10^-9

Ответ: =4,76·10^-9.

Задача №2

Вычислить растворимость иодида серебра в моль/л, если ПР_АgI = =1,03 ·10^-16.

Дано: Решение:

ПР_АgI = 1,03·10^-16 Искомую растворимость АgI обозначим через «х»

Ѕ - ? АgI ↔ Аg⁺ + I^-

х моль х моль х моль

ПР_АgI =[Ag⁺] ∙ [I^-] = х · х = 1,03·10^-16

х · х = 1,03 · 10^-16

х2 = 1,03 · 10^-16;

х = 1,02∙10^-8 моль/л

Ответ: Ѕ_AgI = 1,02∙10^-8 моль/л.

Задача №3

Вычислить растворимость Мn(ОН)₂ в моль/л, если .

Дано: Решение:

Искомую растворимость Мn(ОН)₂ обозначим через

- ? «х».

Мn(ОН)₂ ↔ Мn²⁺ + 2ОН^-

х моль х моль 2х моль

х · (2х)² = 1,7∙10^-13

4х³ = 1,7∙10^-13

х³ = 4,25·10^-14

3lgх = lg 4,25 + lg 10^-14

3lgx = 0,6284 – 14

3lgx = - 13,37

lgx = - 4,46

x = 10^-4,46 = 10^-5 · 10^0,54 = 3,467·10^-5 моль/л

Ответ: = 3,467·10^-5 моль/л.

Задача №4

Образуется ли осадок при сливании равных объемов раствора AgNO₃ с концентрацией 0,0001 моль/л и раствора КСI с концентрацией 0,01 моль/л? ПР_AgCI = 1,56·10^-10.

Дано: Решение:

С (АgNO₃) = 0,0001 моль/л 1) АgNО₃ + КСI → AgCI ↓ + KNO₃

С (КCI) = 0,01 моль/л 2) ПР_AgCI = [Ag⁺]∙[CI^-] = 1,56·10^-10

ПР_AgCI = 1,56·10^-10 3) Найдем концентрации растворов после

сливания их равных объемов:

↓ - ? С (АgNO₃) =

С (КCI) =

4) Чтобы узнать, образуется ли осадок, нужно найти ионное произведение [Ag⁺]∙[CI^-] и сравнить его с величиной ПР_AgCI:

[Ag⁺] = С (АgNO₃) = 5·10^-5 моль/л

[CI^-] = С (КCI) = 5∙10^-3 моль/л

[Ag⁺]∙[CI^-] = 5·10^-5 ∙ 5∙10^-3 = 25∙10^-8 = 2,5∙10^-7

5) Ионное произведение > ПР_AgCI,

следовательно, осадок образуется.

Ответ:осадок образуется.

Задача №5

Образуется ли осадок при смешении равных объемов 0,05н раствора Мg(NO₃)₂ и 0,01н раствора (NH₄)₂C₂O₄? .

Дано: Решение:

С (Мg(NO₃)₂) = 0,05н 1) Мg(NO₃)₂ + (NH₄)₂C₂O₄ → MgC₂O₄↓ + 2NH₄NO₃

С ((NH₄)₂C₂O₄) = 0,01н 2)

↓ - ?

3) Обратите внимание, что в отличие от предыдущей задачи концентрации растворов выражены через нормальность (молярную концентрацию эквивалента). Поскольку концентрации ионов выражают в моль/л, следует перевести нормальную концентрацию в молярную (См. Приложение III):

Э (Мg(NO₃)₂)= С (Мg(NO₃)₂) =

Э ((NH₄)₂C₂O₄) = С ((NH₄)₂C₂O₄) =

4) После смешения равных объемов растворов концентрации их равны:

С (Мg(NO₃)₂) =

С ((NH₄)₂C₂O₄) =

5) Концентрации ионов равны:

[Mg²⁺] = С (Мg(NO₃)₂) = 1,25·10^-3 моль/л

[C₂O₄^2-] = С ((NH₄)₂C₂O₄) = 2,5∙10^-3 моль/л

Ионное произведение:

[Mg²⁺] · [C₂O₄^2-] = 1,25·10^-3 · 2,5∙10^-3 = 3,13·10^-6

6) Ионное произведение < , следовательно, осадок не образуется.

Ответ:осадок не образуется.

▼ Задачи для самостоятельного решения

1. Растворимость СаСО₃ равна 0,013 г/л. Вычислить ПР карбоната кальция. Ответ: 1,69·10^-8.

2. Растворимость Fe(OH)₃ равна 2 · 10^-8 г/л. Вычислить ПР гидроксида железа (III). Ответ: 3,3·10^-38.

3. Вычислить растворимость Ag₂S в моль/л, если его ПР равно 6,3·10^-50. Ответ: 2,51·10^-17 моль/л.

4.Вычислить растворимость Са₃(РО₄)₂, если его ПР равно 1,03·10^-26.

Ответ: 2,51·10^-6 моль/л.

5. Вычислить растворимость Мg(OH)₂, если его ПР равно5,0·10^-12.

Ответ: 1,07·10^-4 моль/л.

6. Вычислить растворимость Са(ОН)₂, если его ПР равно 8,0·10^-6.

Ответ: 1,26·10^-2 моль/л.

7. Образуется ли осадок при смешении равных объемов растворов АgNO₃ и NaCI с концентрацией каждого 0,001М? (ПР_AgCI = 1,78·10^-10).

Ответ: осадок образуется.

8. Образуется ли осадок при смешении равных объемов растворов АgNO₃ и NaCI с концентрацией каждого 0,0001М? (ПР_AgCI = 1,78·10^-10).

Ответ: осадок образуется.

9. Образуется ли осадок при смешении равных объемов растворов SrCI₂ и K₂SO₄ с концентрацией каждого 0,001н? (ПР_SrSO4=2,8∙10^-7).

Ответ: осадок не образуется.

10. Образуется ли осадок при смешении равных объемов 0,01М растворов СаСI₂ и Na₂C₂O₄ ( )?

Ответ: осадок образуется.

11. Образуется ли осадок при сливании равных объемов растворов AgNO₃ и K₂SO₄ с концентрацией каждого 0,05 моль/л ( )? Ответ: осадок не образуется.

12. Образуется ли осадок при сливании равных объемов растворов AgNO₃ и K₂SO₄ с концентрацией каждого 0,01 моль/л ( )? Ответ: осадок не образуется.

? Контрольные вопросы

1. Произведение растворимости. Выведите математическое выражение ПР на примере малорастворимого электролита АgCI или BaSO₄. Правило произведения растворимости.

2. Объясните влияние одноименного иона на растворимость малорастворимого электролита. В чем заключается явление солевого эффекта? В чем его причина?

3. Условия образования осадков. Факторы, влияющие на полноту осаждения.

4. В какой последовательности будут осаждаться ионы Са²⁺, Sr²⁺ и Ва²⁺ при действии карбонатом аммония, если концентрации их в растворе равны? Ответ поясните.

5. Объясните, почему осадок Мg(OH)₂ растворяется в кислотах (HCI) и солях аммония (NH₄CI).