16.1: Efekt wspólnego jonu

W porównaniu z czystą wodą, rozpuszczalność związku jonowego jest mniejsza w roztworach wodnych zawierających wspólny jon (również powstający w wyniku rozpuszczenia związku jonowego). Jest to przykład zjawiska zwanego efektem wspólnego jonu, które jest konsekwencją prawa działania mas, jakie można wyjaśnić za pomocą zasady Le Châteliera. Rozważmy rozpuszczanie jodku srebra:

Ta równowaga rozpuszczalności może zostać przesunięta w lewo przez dodanie jonów srebra(I) lub jodku, co powoduje wytrącenie AgI i obniżenie stężeń rozpuszczonych Ag+ i I-. W roztworach, które już zawierają którykolwiek z tych jonów, można rozpuścić mniej AgI niż w roztworach bez tych jonów.

Efekt ten można również wyjaśnić w kategoriach działania masowego, jak przedstawiono w wyrażeniu iloczynu rozpuszczalności:

Iloczyn matematyczny molarności jonów srebra(I) i jodku jest stały w mieszaninie równowagowej niezależnie od źródła jonów, dlatego wzrost stężenia jednego jonu musi być zrównoważony proporcjonalnym spadkiem drugiego.

Wpływ wspólnego jonu na rozpuszczalność

Wspólny jon wpływa na rozpuszczalność związku w roztworze. Na przykład stały Mg(OH)2 dysocjuje na jony Mg2+ i OH− w następujący sposób;

Jeśli do nasyconego roztworu Mg(OH)2 doda się MgCl2, reakcja przesunie się w lewo, aby złagodzić naprężenia wytwarzane przez dodatkowy jon Mg2+, zgodnie z zasadą Le Châteliera. Pod względem ilościowym dodany Mg2+ powoduje, że współczynnik reakcji jest większy niż produkt rozpuszczalności (Q > Ksp) i tworzy się Mg(OH)2, aż współczynnik reakcji ponownie będzie równy Ksp. W nowej równowadze [OH–] jest mniejsze, a [Mg2+] większe niż w roztworze Mg(OH)2 w czystej wodzie.

Jeśli do nasyconego roztworu Mg(OH)2 dodany zostanie KOH, reakcja przesunie się w lewo, aby złagodzić naprężenie dodatkowego jonu OH–. Tworzy się Mg(OH)2, aż współczynnik reakcji ponownie osiągnie wartość Ksp. W nowej równowadze [OH–] jest większe, a [Mg2+] mniejsze niż w roztworze Mg(OH)2 w czystej wodzie.

Kwas octowy, słaby kwas, częściowo dysocjuje w roztworze, wytwarzając jony hydroniowe i octanowe, podczas gdy jego sól, octan sodu, dysocjuje całkowicie, tworząc jony sodu i octan. Zarówno kwas octowy, jak i octan sodu mają wspólny jon octanowy.

Dodanie octanu sodu do roztworu kwasu octowego zwiększa całkowite stężenie jonów octanowych i zaburza równowagę. Aby zrównoważyć tę zmianę, równowaga przesuwa się w lewo i powoduje wytwarzanie kwasu octowego, aż do przywrócenia równowagi.

W tym przypadku obecność wspólnego jonu powoduje zmniejszoną dysocjację związku. Zjawisko to jest znane jako wspólny efekt jonowy.

Powszechny efekt jonowy można wyjaśnić za pomocą zasady Le Châteliera, która mówi, że zmiana stężenia reagentów lub produktów w stanie równowagi spowoduje przesunięcie układu w kierunku, który równoważy zmianę.

pH 0,050 molowego roztworu amoniaku wynosi 10,97. Jeśli do roztworu doda się 0,040 molowego chlorku amonu, nowe pH można oznaczyć za pomocą podstawowej stałej dysocjacji amoniaku i tabeli ICE.

Chlorek amonu jonizuje się całkowicie, wytwarzając 0,040 mola zarówno jonów amonowych, jak i chlorkowych. Ponieważ jony chlorkowe mają neutralne pH, można je zignorować.

Amoniak częściowo dysocjuje, wytwarzając jony amonowe i wodorotlenkowe. K_b dla tej reakcji wynosi 1,76 × 10⁻⁵ i jest równe stężeniu amonu pomnożonemu stężeniu wodorotlenku podzielonemu przez stężenie amoniaku.

Wartości stężeń początkowego, zmiany i równowagi umieszcza się w tabeli ICE, przy czym zmiany stężenia są oznaczone przez x.

Ze względu na małą wartość x, 0,050 minus x jest w przybliżeniu równe 0,050, a 0,040 plus x jest w przybliżeniu równe 0,040, co można później zweryfikować za pomocą reguły 5%.

Podstawiając te wartości do wyrażenia dla K_b, x równa się 2,2 × 10⁻⁵ molowym.

Przybliżenie jest ważne, ponieważ stężenie wodorotlenku jest mniejsze niż 5% z 0,040 mola.

pH i pH roztworu można obliczyć za pomocą równań standardowych i wynoszą odpowiednio 4,66 i 9,34.

Dlatego obecność wspólnego jonu, jonu amonowego, powoduje zmniejszoną dysocjację amoniaku, a tym samym obniża pH roztworu z 10,97 do 9,34.