Löslichkeitsgleichgewichte

Löslichkeitsgleichgewichte werden hergestellt, wenn die Auflösung und Ausfällung einer gelösten Spezies mit gleichen Geschwindigkeiten erfolgt. Diese Gleichgewichte liegen vielen natürlichen und technologischen Prozessen zugrunde, von Karies bis zur Wasserreinigung. Ein Verständnis der Faktoren, die die Löslichkeit der Verbindungen beeinflussen, ist daher für die effektive Steuerung dieser Prozesse von entscheidender Bedeutung. In diesem Abschnitt werden zuvor eingeführte Gleichgewichtskonzepte und -werkzeuge auf Systeme angewendet, die Auflösung und Ausfällung beinhalten.

Das Löslichkeitsprodukt

Denken Sie daran, dass die Löslichkeit einer Substanz von praktisch Null (unlöslich oder schwer löslich) bis unendlich (mischbar) variieren kann. Ein gelöster Stoff mit endlicher Löslichkeit kann eine gesättigte Lösung ergeben, wenn er einem Lösungsmittel in einer Menge zugesetzt wird, die seine Löslichkeit übersteigt, was zu einer heterogenen Mischung aus der gesättigten Lösung und dem überschüssigen, ungelösten gelösten Stoff führt. Beispielsweise ist eine gesättigte Silberchloridlösung eine Lösung, in der sich das unten gezeigte Gleichgewicht eingestellt hat.

Equation 1

In dieser Lösung löst sich ein Überschuss an festem AgCl auf und dissoziiert, um wässrige Ag^+- und Cl^–-Ionen mit der gleichen Geschwindigkeit zu erzeugen, mit der sich diese wässrigen Ionen verbinden und ausfallen, um festes AgCl zu bilden. Da Silberchlorid ein schwerlösliches Salz ist, ist die Gleichgewichtskonzentration seiner gelösten Ionen in der Lösung relativ niedrig.

Die Gleichgewichtskonstante für Löslichkeitsgleichgewichte wie dieses wird in diesem Fall als Löslichkeitsproduktkonstante K_sp bezeichnet

Equation 2

Denken Sie daran, dass in Gleichgewichtskonstantenausdrücken nur Gase und gelöste Stoffe dargestellt werden, sodass der K_sp keinen Term für das ungelöste AgCl enthält.

K_sp und Löslichkeit

Der K_sp einer schwer löslichen ionischen Verbindung kann einfach mit seiner gemessenen Löslichkeit in Beziehung gesetzt werden, vorausgesetzt, der Auflösungsprozess umfasst nur Dissoziation und Solvatation, zum Beispiel:

Equation 3

In solchen Fällen kann man die K_sp-Werte aus den angegebenen Löslichkeiten ableiten oder umgekehrt. Berechnungen dieser Art lassen sich am einfachsten anhand der molaren Löslichkeit einer Verbindung durchführen, gemessen als Mol gelöster Substanz pro Liter gesättigter Lösung.

Niederschlag vorhersagen

Die Gleichung, die das Gleichgewicht zwischen festem Calciumcarbonat und seinen solvatisierten Ionen beschreibt, lautet:

Equation 4

Es ist wichtig zu wissen, dass dieses Gleichgewicht in jeder wässrigen Lösung hergestellt wird, die Ca²⁺- und CO₃^2–-Ionen enthält, und nicht nur in einer Lösung, die durch Sättigung von Wasser mit Calciumcarbonat entsteht. Denken Sie beispielsweise an das Mischen wässriger Lösungen der löslichen Verbindungen Natriumcarbonat und Calciumnitrat. Wenn die Konzentrationen von Calcium- und Carbonationen in der Mischung keinen Reaktionsquotienten Q ergeben, der das Löslichkeitsprodukt K_sp übersteigt, kommt es zu keiner Ausfällung. Wenn die Ionenkonzentrationen einen Reaktionsquotienten ergeben, der größer als das Löslichkeitsprodukt ist, kommt es zu einer Ausfällung, wodurch diese Konzentrationen sinken, bis sich ein Gleichgewicht einstellt (Q = K_sp). Der Vergleich von Q mit K_sp zur Vorhersage von Niederschlägen ist ein Beispiel für den allgemeinen Ansatz zur Vorhersage der Richtung einer Reaktion, der erstmals in den Lektionen zum Thema Gleichgewicht eingeführt wurde. Für den speziellen Fall von Löslichkeitsgleichgewichten:

Q < K_sp: Die Reaktion verläuft in Vorwärtsrichtung (die Lösung ist nicht gesättigt; es wird kein Niederschlag beobachtet)

Q > K_sp: Die Reaktion verläuft in umgekehrter Richtung (die Lösung ist übersättigt; es kommt zur Ausfällung)

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 15.1: Precipitation and Dissolution.