16.13: Precipitazione degli ioni

Prevedere le precipitazioni

L’equazione che descrive l’equilibrio tra il carbonato di calcio solido e i suoi ioni solvatati è:

È importante rendersi conto che questo equilibrio viene stabilito in qualsiasi soluzione acquosa contenente ioni Ca^2+ e CO_3^2–, non solo in una soluzione formata saturando l'acqua con carbonato di calcio. Consideriamo, ad esempio, la miscelazione di soluzioni acquose dei composti solubili carbonato di sodio e nitrato di calcio. Se le concentrazioni di ioni calcio e carbonato nella miscela non danno un quoziente di reazione, Q, che supera il prodotto di solubilità, K_sp, allora non si verificherà alcuna precipitazione. Se le concentrazioni di ioni producono un quoziente di reazione maggiore del prodotto di solubilità, si verificherà la precipitazione, abbassando tali concentrazioni fino a stabilire l'equilibrio (Q = K_sp). Il confronto tra Q e K_sp per prevedere le precipitazioni è un esempio dell'approccio generale per prevedere la direzione di una reazione. Per il caso specifico degli equilibri di solubilità:

Q < K_sp: la reazione procede in avanti (la soluzione non è satura; non si osserva alcuna precipitazione)

Q > K_sp: la reazione procede nella direzione inversa (la soluzione è sovrasatura; si verificherà la precipitazione)

Nelle soluzioni contenenti due o più ioni che possono formare composti insolubili con lo stesso controione, è possibile utilizzare una strategia sperimentale chiamata precipitazione selettiva per rimuovere singoli ioni dalla soluzione. Aumentando la concentrazione del controione in modo controllato, gli ioni in soluzione possono essere fatti precipitare individualmente, presupponendo che le loro solubilità del composto siano adeguatamente diverse. Nelle soluzioni con uguali concentrazioni di ioni bersaglio, lo ione che forma il composto meno solubile precipiterà per primo (alla concentrazione più bassa di controione). Gli altri ioni successivamente precipitano quando viene raggiunta la solubilità del loro composto.

Precipitazione degli alogenuri d'argento

Una soluzione contiene 0,00010 mol di KBr e 0,10 mol di KCl per litro. AgNO_3 viene aggiunto gradualmente a questa soluzione. Cosa si forma prima, AgBr solido o AgCl solido?

I due equilibri coinvolti sono:

Se la soluzione contenesse concentrazioni quasi uguali di Cl^– e Br^–, allora il sale d'argento con la K_sp più piccola (AgBr) precipiterebbe per primo. Le concentrazioni, tuttavia, non sono uguali, quindi è necessario calcolare l'[Ag^+] al quale AgCl inizia a precipitare e l'[Ag^+] al quale AgBr inizia a precipitare. Il sale che si forma nella parte inferiore [Ag^+] precipita per primo.

AgBr precipita quando Q = K_sp per AgBr

AgBr inizia a precipitare quando [Ag^+] è 5,0 × 10^−9 M.

Per AgCl:

AgCl precipita quando Q è uguale a Ksp per AgCl (1,6 × 10^-10). Quando [Cl^–] = 0,10 M:

AgCl inizia a precipitare quando [Ag^+] è 1,6 × 10^-9 M.

AgCl inizia a precipitare a un [Ag^+] inferiore a AgBr, quindi AgCl inizia a precipitare per primo. Si noti che la concentrazione di ioni cloruro della miscela iniziale era significativamente maggiore della concentrazione di ioni bromuro, quindi il cloruro d'argento è precipitato per primo nonostante avesse un K_sp maggiore di quello del bromuro d'argento.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Chapter 15.1: Precipitation and Dissolution.

Se le soluzioni di due composti ionici vengono miscelate, come ioduro di sodio e nitrato di piombo i cationi di una soluzione possono combinarsi con gli anioni dell'altra. Poiché uno dei prodotti incrociati il nitrato di sodio è solubile in acqua, gli ioni sodio e nitrato continuano a rimanere in soluzione, mentre gli ioni piombo e ioduro formano un precipitato di ioduro di piombo. Il quoziente di reazione, Q, della reazione di dissoluzione è uguale al prodotto delle concentrazioni di ioni piombo e ioduro.

A differenza del prodotto di solubilità Ksp, il quoziente di reazione coinvolge concentrazioni di ioni in qualsiasi fase, non solo all'equilibrio. I valori di Q e Ksp possono essere confrontati per prevedere se si verificherà una reazione di precipitazione. Considerate un'aggiunta goccia a goccia di una soluzione di ioduro di sodio alla soluzione di nitrato di piombo.

All'inizio, Q è inferiore a Ksp, e sia gli ioni piombo che ioduro sono in soluzione con gli ioni sodio e nitrato. Questa è una soluzione insatura. Man mano che viene aggiunto più ioduro di sodio, la concentrazione di ioni ioduro continua ad aumentare.

La reazione ha raggiunto l'equilibrio quando Q è uguale a Ksp. In questa fase, una piccola quantità di ioduro di piombo solido è in equilibrio dinamico con gli ioni, formando una soluzione satura. L'ulteriore aggiunta di ioduro di sodio rende Q maggiore di Ksp e la reazione si sposta verso il precipitato.

Questa è una soluzione sovrasatura, dove la precipitazione continua fino a quando le concentrazioni di ioni non vengono abbassate ai loro valori di equilibrio. Per esempio, supponete che la miscela di soluzioni di ioduro di sodio e nitrato di piombo dia come risultato una soluzione contenente ioni piombo 1, 6 10⁻⁴ molari, e ioni ioduro molare 4, 0 10⁻⁴. Qui, Q è uguale a 2, 6 10⁻¹¹, mentre Ksp per lo ioduro di piombo è 1, 4 10⁻⁸.

Poiché Q è inferiore a Ksp, lo ioduro di piombo non precipiterà. La previsione delle reazioni di precipitazione, può essere molto utile durante la separazione dei composti ionici. Considera una soluzione con due ioni metallici piombo e rame Se l'acido cloridrico viene aggiunto a questa soluzione, il cloruro di piombo precipita perché ha un Ksp piccolo, mentre il rame rimane in soluzione poiché il cloruro di rame è altamente solubile in acqua.

Questa tecnica è chiamata precipitazione selettiva.