16.10: 용해도 평형

용해도 평형은 용질 종의 용해와 침전이 동일한 속도로 발생할 때 확립됩니다. 이러한 평형은 충치부터 수질 정화에 이르기까지 많은 자연적, 기술적 과정의 기초가 됩니다. 따라서 화합물 용해도에 영향을 미치는 요인에 대한 이해는 이러한 공정을 효과적으로 관리하는 데 필수적입니다. 이 섹션에서는 이전에 소개된 평형 개념과 도구를 용해 및 침전과 관련된 시스템에 적용합니다.

용해도 제품

물질의 용해도는 본질적으로 0(불용성 또는 거의 용해되지 않음)부터 무한대(혼화성)까지 다양할 수 있다는 점을 기억하십시오. 유한한 용해도를 갖는 용질은 용해도를 초과하는 양으로 용매에 첨가되면 포화 용액을 생성할 수 있으며, 그 결과 포화 용액과 과량의 용해되지 않은 용질의 이질적인 혼합물이 생성됩니다. 예를 들어, 염화은 포화 용액은 아래 그림과 같은 평형이 이루어진 용액입니다.

이 용액에서는 과량의 고체 AgCl이 용해 및 해리되어 수용성 Ag^+ 및 Cl^- 이온을 생성합니다. 이러한 수성 이온이 결합하고 침전되어 고체 AgCl을 형성하는 것과 동일한 속도입니다. 염화은은 난용성 염이기 때문에 용액에 용해된 이온의 평형 농도는 상대적으로 낮습니다.

이와 같은 용해도 평형에 대한 평형 상수를 용해도 곱 상수, K_sp라고 합니다. 이 경우

평형 상수 표현에는 기체와 용질만 표시되므로 K_sp에는 용해되지 않은 AgCl에 대한 항이 포함되지 않습니다.

K_sp 및 용해도

용해 과정이 해리 및 용매화만 포함하는 경우 용해도가 낮은 이온 화합물의 K_sp는 측정된 용해도와 간단하게 관련될 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

이와 같은 경우 제공된 용해도로부터 K_sp 값을 도출할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이러한 종류의 계산은 포화 용액 1리터당 용해된 용질의 몰수로 측정되는 화합물의 몰 용해도를 사용하여 가장 편리하게 수행됩니다.

침전 예측

고체 탄산칼슘과 그 용매화 이온 사이의 평형을 설명하는 방정식은 다음과 같습니다.

이 평형은 물을 탄산칼슘으로 포화시켜 형성된 용액뿐만 아니라 Ca^2+ 및 CO_3^2- 이온을 함유한 모든 수용액에서 확립된다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 가용성 화합물인 탄산나트륨과 질산칼슘의 수용액을 혼합하는 것을 고려해 보십시오. 혼합물의 칼슘 및 탄산 이온 농도가 용해도 곱 K_sp를 초과하는 반응 지수 Q를 생성하지 않으면 침전이 발생하지 않습니다. 이온 농도가 용해도 곱보다 큰 반응 지수를 생성하는 경우 침전이 발생하여 평형이 확립될 때까지 해당 농도가 낮아집니다(Q = K_sp). 침전을 예측하기 위해 Q와 K_sp를 비교하는 것은 평형 수업에서 처음 소개된 반응 방향을 예측하는 일반적인 접근법의 예입니다. 용해도 평형의 특정 경우:

Q < K_sp: 반응이 정방향으로 진행됩니다(용액이 포화되지 않고 침전이 관찰되지 않음).

Q > K_sp: 반응이 반대 방향으로 진행됩니다(용액이 과포화되어 침전이 발생함).

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 15.1: Precipitation and Dissolution.

염화나트륨은 다량의 염화물이 물에 용해되기 때문에 용해 가능한 것으로 간주되지만 물에 염화 납을 첨가하면 소량만 용해되고 나머지는 용해되지 않습니다. 용해되지 않은 고체는 용액 속에 있는 납 및 염화물 이온과 공존합니다. 고체상태의 염화납의 일부는 계속 용해되는 반면 용액 속의 일부 이온은 재결합하여 침전물을 형성합니다.

해리 속도가 침전 속도와 같을 경우 용해의 평형이 이루어집니다. 평형 상수는 해리 반응에 따른 이온의 평형 농도로부터 계산할 수 있습니다. 여기서 염화납은 1개의 납과 2개의 염화 이온으로 해리됩니다.

따라서 평형 상수는 납 이온의 몰 농도에 염화 이온의 몰 농도의 제곱을 곱하여 계산합니다. 고체 상태의 염화납의 농도는 일정하기 때문에 계산에서 제외됩니다. 이 평형 상수를 용해도적이라고 하며 Ksp로 나타냅니다.

25°C에서 염화 납의 Ksp는 1.17 10⁻⁵입니다. Ksp 값은 화합물이 해리되어 포화 수용액을 형성할 수 있는 범위를 나타냅니다. 주어진 온도에서 화합물의 Ksp는 일정합니다.

몰 용해도로 알려진 리터당 몰로 구성된 화합물의 용해도는 종종 포화 용액에 용해된 고체의 농도를 표현하기 위해 사용됩니다. 화합물의 용해도는 용액의 pH와 같은 요인 및 다른 이온의 존재 여부에 따라 달라질 수 있습니다. 화합물의 몰 용해도 x는 ICE 표를 사용하여 Ksp로부터 계산할 수 있습니다.

용액 내 납 이온과 염화 이온의 초기 농도는 0입니다. 평형 상태에서 납 이온의 몰 농도가 x로 표시된다면 염화 이온의 몰 농도는 2x입니다. 평형식으로 대체하면 염화연의 용해도적은 x 2x²이며 값은 4x³입니다.

염화납의 Ksp는 1.17 10⁻⁵이므로 x는 1.43 10⁻² 몰이 됩니다. 염화납 및 플루오르화 칼슘과 같이 동일한 해리 화학양론을 가지며 각 화합물의 1 몰이 3몰의 해리 이온을 생성하는 화합물의 경우 각 Ksp 값을 사용하여 상대 용해도를 직접 비교할 수 있습니다.