16.10: שיווי משקל מסיסות

Solubility Equilibria
JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Solubility Equilibria

52,703 Views

03:07 min
September 24, 2020

Overview

Solubility equilibria are established when the dissolution and precipitation of a solute species occur at equal rates. These equilibria underlie many natural and technological processes, ranging from tooth decay to water purification. An understanding of the factors affecting compound solubility is, therefore, essential to the effective management of these processes. This section applies previously introduced equilibrium concepts and tools to systems involving dissolution and precipitation.

The Solubility Product

Recall that the solubility of a substance can vary from essentially zero (insoluble or sparingly soluble) to infinity (miscible). A solute with finite solubility can yield a saturated solution when it is added to a solvent in an amount exceeding its solubility, resulting in a heterogeneous mixture of the saturated solution and the excess, undissolved solute. For example, a saturated solution of silver chloride is one in which the equilibrium shown below has been established.

Eq1

In this solution, an excess of solid AgCl dissolves and dissociates to produce aqueous Ag+ and Cl ions at the same rate that these aqueous ions combine and precipitate to form solid AgCl. Because silver chloride is a sparingly soluble salt, the equilibrium concentration of its dissolved ions in the solution is relatively low.

The equilibrium constant for solubility equilibria such as this one is called the solubility product constant, Ksp, in this case

Eq2

Recall that only gases and solutes are represented in equilibrium constant expressions, so the Ksp does not include a term for the undissolved AgCl.

Ksp and Solubility

The Ksp of a slightly soluble ionic compound may be simply related to its measured solubility provided the dissolution process involves only dissociation and solvation, for example:

Eq3

For cases such as these, one may derive Ksp values from provided solubilities, or vice-versa. Calculations of this sort are most conveniently performed using a compound’s molar solubility, measured as moles of dissolved solute per liter of saturated solution.

Predicting Precipitation

The equation that describes the equilibrium between solid calcium carbonate and its solvated ions is:

Eq4

It is important to realize that this equilibrium is established in any aqueous solution containing Ca2+ and CO32– ions, not just in a solution formed by saturating water with calcium carbonate. Consider, for example, mixing aqueous solutions of the soluble compounds sodium carbonate and calcium nitrate. If the concentrations of calcium and carbonate ions in the mixture do not yield a reaction quotient, Q, that exceeds the solubility product, Ksp, then no precipitation will occur. If the ion concentrations yield a reaction quotient greater than the solubility product, then precipitation will occur, lowering those concentrations until equilibrium is established (Q = Ksp). The comparison of Q to Ksp to predict precipitation is an example of the general approach to predicting the direction of a reaction first introduced in the lessons on equilibrium. For the specific case of solubility equilibria:

Q < Ksp: the reaction proceeds in the forward direction (the solution is not saturated; no precipitation observed)

Q > Ksp: the reaction proceeds in the reverse direction (the solution is supersaturated; precipitation will occur)

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 15.1: Precipitation and Dissolution.

Transcript

נתרן כלורי נחשב כמסיס משום שכמויות גדולות ממנו יתמוסוו במים, אבל כשמוסיפים למים עופרת כלורית, רק כמות קטנה מת מוססת בעוד השאר נותר לא מסיס. המוצקים שנותרו מתקיימים לצד יוני העופרת והכלוריד שבתוך התמיסה. חלק מעופרת הכלוריד המוצקה ממשיך להתמוסס, בעוד חלק מהיונים שבתמיסה מתחברים מחדש ליצירת משקע.

כשקצב ההמסה שווה לקצב השיקוע, שיווי משקל מסיסות מתבסס. ניתן לחשב את קבוע שיווי המשקל בעזרת ריכוזי שיווי המשקל של היונים, לפי תגובת ההמסה בה עופרת כלוריד מתפרקת ליון עופרת ולשני יוני כלוריד. אז, ניתן לחשב את קבוע שיווי המשקל באמצעות הכפלת הריכוז המולרי של יוני העופרת בריכוז המולרי של יוני הכלוריד בריבוע.

משום שריכוז עופרת הכלוריד המוצקה נשאר קבוע, הוא לא נכלל בחישוב. קבוע שיווי משקל זה נקרא מכפלת המסיסות, ומסומן ב-Ksp. ב-25 מעלות צלזיוס, ה-Ksp של עופרת כלוריד הוא 11.7 כפול 10 בחזקת מינוס 5.

ערך ה-Ksp מייצג עד כמה תרכובת יכולה להתמוסס ליצירת תמיסה מימית רוויה. בטמפרטורה נתונה, ה-Ksp של תרכובת הוא קבוע. המסיסות של תרכובת, במולים לליטר, המכונה מסיסות מולרית, משמשת לעיתים קרובות כדי לבטא את ריכוז המוצק המומס בתמיסה רוויה.

מסיסותה של תרכובת יכולה להשתנות בהתאם לגורמים כמו pH התמיסה והאם נוכחים יונים אחרים. המסיסות המולרית של תרכובת, x, ניתנת לחישוב לפי ה-Ksp שלה בעזרת טבלת ICE. ריכוזי ההתחלה של יוני עופרת וכלוריד בתמיסה הם אפס.

בשיווי משקל, הריכוז המולרי של יוני עופרת מיוצג ב-x, בעוד ריכוז יוני הכלוריד הוא 2x. הצבה לתוך משוואת שיווי המשקל של מכפלת המסיסות של עופרת כלורית שווה ל-x כפול 2x², ששווה ל-4x³. כיוון שה-Ksp של עופרת כלוריד הוא 11.7 כפול 10 בחזקת מינוס 5, הפתרון של x הוא 1.43 כפול 10 בחזקת מינוס 2 מולר.

בתרכובות בעלות אותה סטויכומטריית פירוק, כמו עופרת כלוריד וסידן פלואוריד, כאשר מול מכל תרכובת מייצר 3 מול יונים מומסים, ניתן להשתמש בערכי ה-Ksp התואמים להשוואה בין המסיסויות שלהם.

Key Terms and definitions​

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for