16.13: Précipitation d'ions

Prévision de la précipitation

L'équation qui décrit l'équilibre entre le carbonate de calcium solide et ses ions solvatés est la suivante :

Il est important de se rendre compte que cet équilibre est établi dans toute solution aqueuse contenant des ions Ca²⁺ et CO₃^2–, et pas seulement dans une solution formée en saturant de l'eau avec du carbonate de calcium. Prenons, par exemple, le mélange de solutions aqueuses des composés solubles carbonate de sodium et nitrate de calcium. Si les concentrations en ions calcium et carbonate dans le mélange ne donnent pas un quotient réactionnel, Q, qui dépasse le produit de solubilité, K_ps, alors aucune précipitation ne se produira. Si les concentrations ioniques produisent un quotient réactionnel supérieur au produit de solubilité, une précipitation se produira, ce qui va abaisser ces concentrations jusqu'à que l'équilibre soit établi (Q = K_ps). La comparaison entre Q et K_ps afin de prédire la précipitation est un exemple de l'approche générale pour prévoir le sens d'une réaction. Dans le cas précis des équilibres de solubilité :

Q < K_ps : la réaction se poursuit dans le sens direct (la solution n'est pas saturée ; aucune précipitation n'est observée)

Q > K_ps : la réaction se poursuit dans le sens inverse (la solution est sursaturée ; une précipitation se produit)

Dans les solutions contenant deux ions ou plus pouvant former des composés insolubles avec le même contre-ion, une stratégie expérimentale appelée la précipitation sélective peut être utilisée pour éliminer des ions individuels de la solution. En augmentant la concentration des contre-ions de manière contrôlée, on peut faire précipiter les ions en solution individuellement, en supposant que les solubilités de leur composé soient suffisamment différentes. Dans les solutions ayant des concentrations d'ions cibles égales, l'ion formant le composé le moins soluble précipitera d'abord (à la concentration la plus faible du contre-ion). Les autres ions précipitent ensuite lorsque les solubilités de leur composé sont atteintes.

Précipitation des halogénures d'argent

Une solution contient 0,00010 mol de KBr et 0,10 mol de KCl par litre. AgNO₃ est ajouté progressivement à cette solution. Lequel se forme en premier, AgBr solide ou AgCl solide ?

Les deux équilibres impliqués sont :

Si la solution contenait des concentrations environ égales de Cl^– et Br^–, le sel d'argent ayant le plus petit K_ps (AgBr) précipiterait d'abord. Toutefois, les concentrations ne sont pas égales, il faut donc calculer [Ag⁺] à laquelle AgCl commence à précipiter et [Ag⁺] à laquelle AgBr commence à précipiter. Le sel qui se forme à la plus basse [Ag⁺] précipite en premier.

AgBr précipite lorsque Q = K_ps d'AgBr

AgBr commence à précipiter lorsque [Ag⁺] est de 5,0 × 10⁻⁹ M.

Pour AgCl :

AgCl précipite lorsque Q est égal au Kps d'AgCl (1,6  × 10^-10). Lorsque [Cl^–] = 0,10 M :

AgCl commence à précipiter lorsque [Ag⁺] est de 1,6  × 10^-9 M.

AgCl commence à précipiter à une [Ag⁺] plus basse que AgBr, de sorte que AgCl commence à précipiter en premier. On remarque que la concentration en ions chlorure du mélange initial était significativement plus élevée que la concentration en ions bromure, et le chlorure d'argent a donc précipité en premier malgré un K_ps supérieur à celui du bromure d'argent.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 15.1: Précipitation et dissolution.

Si les solutions de deux composés ioniques sont mélangées, comme l'iodure de sodium et le nitrate de plomb les cations d'une solution peuvent se combiner avec les anions de l'autre. Comme l'un des produits croisés le nitrate de sodium est soluble dans l'eau, les ions sodium et nitrate continuent à rester en solution, tandis que les ions plomb et iodure forment un précipité d'iodure de plomb. Le quotient de réaction, Q, de la réaction de dissolution est égal au produit des concentrations de plomb et des ions iodure.

Contrairement au produit de solubilité Ksp, le quotient de réaction implique des concentrations ioniques à n'importe quel stade, pas seulement à l'équilibre. Les valeurs de Q et Ksp peuvent être comparées pour prédire si une réaction de précipitation se produira. Considérons une addition goutte à goutte de solution d'iodure de sodium à la solution de nitrate de plomb.

Au début, Q est inférieur à Ksp, et les ions plomb et iodure sont en solution avec les ions de sodium et de nitrate. Ceci est une solution non saturée. Au fur et à mesure que l'on ajoute de l'iodure de sodium, la concentration des ions iodure continue d'augmenter.

La réaction a atteint l'équilibre lorsque Q est égal à Ksp. À ce stade, une petite quantité d'iodure de plomb solide est en équilibre dynamique avec les ions, formant une solution saturée. Un ajout supplémentaire d'iodure de sodium rend Q supérieur à Ksp, et la réaction se déplace vers le précipité.

C'est une solution sursaturée, où la précipitation continue jusqu'à ce que les concentrations d'ion sont ramenées à leurs valeurs d'équilibre. Par exemple, supposons le mélange des solutions d'iodure de sodium et de plomb de nitrate donnent une solution contenant 1, 6 10⁻⁴ ions plomb molaires, et 4, 0 10⁻⁴ ions iodure molaire. Ici, Q vaut 2, 6 10⁻¹¹, tandis que Ksp pour l'iodure de plomb est de 1, 4 10⁻⁸.

Comme Q est inférieur à Ksp, l'iodure de plomb ne précipitera pas. Prévoir les réactions de précipitation peut être très utile lors de la séparation de composés ioniques. Considérons une solution avec deux ions métalliques plomb et cuivre Si de l'acide chlorhydrique est ajouté à cette solution, le chlorure de plomb précipite car il a un faible Ksp, tandis que le cuivre reste en solution car le chlorure de cuivre est très soluble dans l'eau.

Cette technique est appelée précipitation sélective.