Обменные реакции с образованием осадка

Если в растворе находятся ионы, которые могут образовать малорастворимое соединение, то равновесие смещается в сторону образования осадка.

Динамическое гетерогенное равновесие, установившееся между веществом, находящимся в растворе в виде ионов и его осадком, описывается уравнением

Kat_xAn_y ↔ xKat⁺ + yAn^-

Осадок ↔ раствор

Константа гетерогенного равновесия в данном случае называется произведением растворимости – ПР (произносится «пэ эр»):

.

Величины произведения растворимости приводятся в справочной литературе. Зная величину ПР малорастворимого соединения, можно вычислить его растворимость.

Поскольку соли при растворении в воде полностью диссоциациируют на ионы, то из каждой молекулы образуется x катионов и y анионов. Следовательно, в растворе соли концентрации C [моль/л] концентрации катионов и анионов составят величины: [Kat⁺] = x×C , [An^-] = y×C. Подставив их в выражение ПР, получим

, [моль/л].

Используя справочные значения ПР, можно вычислить молярную концентрацию соли C в растворе.

Пример. Определить растворимость иодида свинца в г/л и концентрацию ионов свинца и иода. ПР_РbI2= 8,1×10^-9:

РbI₂ ↔ Рb⁺² + 2 I^-,

ПР = [Рb⁺²] × [I^-]².

Обозначим концентрацию РbI₂ в растворе C. Тогда, согласно уравнению диссоциации, концентрации ионов равны:

[Рb⁺²] = C, [I^-] = 2×C.

Подставив их в уравнение произведения растворимости, можно вычислить концентрацию РbI₂ и концентрации ионов:

ПР= C× (2×C)² ,

[Рb⁺²] = C = 1,26×10^-3моль/л, [I^-] = 2×C = 2,52×10^-3моль/л.

Растворимость иодида свинца в г/л равна: S = C×М, где M = 461г/моль – молярная масса РbI₂:

S = 1,26×10^-3×461 = 0,54 [г/л].

Добавление в систему сильного электролита, содержащего один из ионов малорастворимого соединения, сдвигает равновесие в сторону образования осадка, понижая концентрацию другого иона. При этом необходимо учитывать возможность образования растворимых комплексных соединений.

Фазовые равновесия

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковыми физическими и химическими свойствами,называется фазой. Фазы отделены друг от друга поверхностью раздела. Вещества системы, находящиеся в термодинамическом равновесии друг с другом в одной фазе, образуют фазовое состояние. Равновесный переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом. Он характеризуется скачкообразным изменением свойств вещества (теплоемкости, объема, внутренней энергии, энтропии и др.). Система может состоять из одной фазы (гомогенная) или двух и более фаз (гетерогенная).

Переход твердой фазы в жидкость называется плавлением, в газообразное состояние – сублимацией (возгонкой), переход из газообразного и жидкого состояния в твердое – кристаллизацией, переход жидкой фазы в газ – испарением (кипение), обратный переход – конденсацией. Отметим, что многие вещества в твердом состоянии в зависимости от давления и температуры образуют различные кристаллические модификации. То есть в твердом состоянии вещество одного химического состава может находиться в нескольких фазах.

Число видов молекул, необходимое и достаточное для образования всех фаз системы, называется числом компонентов (К). Если в системе протекают реакции превращения одних молекул в другие, то для определения числа компонентов из общего числа видов молекул вычитают число независимых реакций, определяющих эти превращения.

Пример.

1. Система состоит из смеси трех не взаимодействующих газов: N₂, Н₂O, He. Число компонентов К=3.

2. Система состоит из смеси трех (N₂, H₂ и NH₃) газов, взаимодействующих друг с другом по реакции N₂+3H₂ Û 2NH₃. Число компонентов К=3–1=2.

В гетерогенной системе между фазами устанавливается состояние равновесия. Термодинамическим условием равновесия является равенство нулю изменения энергии Гиббса (DG=0), а кинетическим – равенство скоростей перехода веществ из одной фазы в другую. Число термодинамических параметров равновесия (p-давление, T-температура, C-концентрация), которые могут произвольно изменяться в определенных пределах и при этом не изменяется число фаз в системе и ее строение, называется числом термодинамических степеней свободы (С).

Правило фаз Гиббса.

Для анализа состояния равновесия многофазной системы используют правило фаз Гиббса: число степеней свободы системы (С) равно числу компонентов этой системы (К) плюс 2 и минус число фаз (Ф):

С=К+2–Ф.

Правило фаз Гиббса определяет число термодинамических степеней свободы в зависимости от числа находящихся в состоянии равновесия фаз и числа компонентов, образующих систему, то есть число независимых параметров равновесия, необходимое и достаточное для описания системы. Отметим, что число степеней свободы возрастает с увеличением числа компонентов и уменьшается с ростом числа фаз в системе.

Для определения термодинамических условий равновесного существования фаз служат диаграммы состояния веществ (фазовые диаграммы).