16.10: Równowagi rozpuszczalności

Równowagi rozpuszczalności powstają, gdy rozpuszczanie i wytrącanie substancji rozpuszczonej następuje z równą szybkością. Te równowagi leżą u podstaw wielu procesów naturalnych i technologicznych, począwszy od próchnicy zębów po oczyszczanie wody. Zrozumienie czynników wpływających na rozpuszczalność związku jest zatem niezbędne do skutecznego zarządzania tymi procesami. W tej sekcji zastosowano wcześniej wprowadzone koncepcje i narzędzia równowagi do układów obejmujących rozpuszczanie i wytrącanie.

Produkt rozpuszczalności

Przypomnijmy, że rozpuszczalność substancji może zmieniać się od zasadniczo zera (nierozpuszczalna lub trudno rozpuszczalna) do nieskończoności (mieszalna). Substancja rozpuszczona o skończonej rozpuszczalności może dać roztwór nasycony, gdy zostanie dodana do rozpuszczalnika w ilości przekraczającej jej rozpuszczalność, co daje niejednorodną mieszaninę nasyconego roztworu i nadmiaru nierozpuszczonej substancji rozpuszczonej. Na przykład nasycony roztwór chlorku srebra to taki, w którym została ustalona równowaga pokazana poniżej.

W tym roztworze nadmiar stałego AgCl rozpuszcza się i dysocjuje, tworząc wodne jony Ag+ i Cl– z taką samą szybkością, z jaką te wodne jony łączą się i wytrącają, tworząc stały AgCl. Ponieważ chlorek srebra jest solą trudno rozpuszczalną, stężenie równowagowe jego rozpuszczonych jonów w roztworze jest stosunkowo niskie.

Stała równowagi dla równowag rozpuszczalności, takich jak ta, nazywana jest w tym przypadku stałą produktu rozpuszczalności, Ksp.

Przypomnijmy, że w wyrażeniach na stałe równowagi reprezentowane są tylko gazy i substancje rozpuszczone, zatem Ksp nie obejmuje określenia nierozpuszczonego AgCl.

Ksp i rozpuszczalność

Ksp słabo rozpuszczalnego związku jonowego można po prostu powiązać z jego zmierzoną rozpuszczalnością, pod warunkiem, że proces rozpuszczania obejmuje jedynie dysocjację i solwatację, na przykład:

W takich przypadkach można wyprowadzić wartości Ksp z podanych rozpuszczalności i odwrotnie. Obliczenia tego rodzaju najwygodniej przeprowadza się, stosując rozpuszczalność molową związku, mierzoną jako mol rozpuszczonej substancji rozpuszczonej na litr nasyconego roztworu.

Przewidywanie opadów

Równanie opisujące równowagę pomiędzy stałym węglanem wapnia i jego solwatowanymi jonami to:

Należy pamiętać, że równowaga ta zachodzi w każdym roztworze wodnym zawierającym jony Ca2+ i CO32–, a nie tylko w roztworze powstałym w wyniku nasycenia wody węglanem wapnia. Rozważmy na przykład mieszanie wodnych roztworów rozpuszczalnych związków węglanu sodu i azotanu wapnia. Jeżeli stężenia jonów wapnia i węglanowych w mieszaninie nie dają współczynnika reakcji Q przekraczającego iloczyn rozpuszczalności Ksp, wówczas nie nastąpi wytrącanie. Jeżeli stężenia jonów dają iloraz reakcji większy niż produkt rozpuszczalności, wówczas nastąpi wytrącanie, obniżając te stężenia aż do ustalenia równowagi (Q = Ksp). Porównanie Q z Ksp w celu przewidywania opadów jest przykładem ogólnego podejścia do przewidywania kierunku reakcji, wprowadzonego po raz pierwszy na lekcjach równowagi. Dla konkretnego przypadku równowagi rozpuszczalności:

Q < Ksp: reakcja przebiega w kierunku do przodu (roztwór nie jest nasycony, nie obserwuje się wytrącania)

Q > Ksp: reakcja przebiega w odwrotnym kierunku (roztwór jest przesycony, nastąpi wytrącenie)

Chlorek sodu jest uważany za rozpuszczalny, ponieważ duże jego ilości rozpuszczają się w wodzie, ale po dodaniu chlorku ołowiu do wody rozpuszcza się tylko niewielka ilość, podczas gdy reszta pozostaje nierozpuszczalna.

Nierozpuszczone ciało stałe współistnieje z jonami ołowiu i chlorku znajdującymi się w roztworze. Część stałego chlorku ołowiu nadal się rozpuszcza, podczas gdy niektóre jony w roztworze rekombinują, tworząc osad.

Gdy szybkość rozpuszczania jest równa szybkości wytrącania, ustala się równowagę rozpuszczalności.

Stałą równowagi można obliczyć na podstawie stężeń równowagowych jonów zgodnie z reakcją rozpuszczania - w której chlorek ołowiu dysocjuje na jeden jon ołowiu i dwa jony chlorkowe.

Tak więc stała równowagi jest określona przez stężenie molowe jonów ołowiu pomnożone przez kwadrat molowego stężenia jonów chlorkowych. Ponieważ stężenie stałego chlorku ołowiu pozostaje stałe, jest on wyłączony z obliczeń.

Ta stała równowagi nazywana jest iloczynem rozpuszczalności, oznaczanym przez K_sp. W temperaturze 25 °C K_sp chlorku ołowiu wynosi 1,17 × 10⁻⁵.

Wartość K_sp reprezentuje stopień, w jakim związek może się rozpuścić, tworząc nasycony roztwór wodny. W danej temperaturze K_sp związku jest stałe.

Rozpuszczalność związku w molach na litr, znana jako rozpuszczalność molowa, jest często używana do wyrażenia stężenia rozpuszczonego ciała stałego w nasyconym roztworze. Rozpuszczalność związku może się różnić w zależności od czynników, takich jak pH roztworu i obecność innych jonów.

Rozpuszczalność molową związku, x, można obliczyć na podstawie jego K_sp za pomocą tabeli ICE.

Początkowe stężenia jonów ołowiu i jonów chlorkowych w roztworze wynoszą zero.

W stanie równowagi stężenie molowe jonów ołowiu jest reprezentowane przez x, podczas gdy stężenie jonów chlorkowych wynosi 2x.

Podstawiając do wyrażenia równowagi, iloczyn rozpuszczalności chlorku ołowiu jest równy x razy 2x², co równasię 4 x³.

Ponieważ K_sp dla chlorku ołowiu wynosi 1,17 × 10⁻⁵, x jest rozpuszczone jako 1,43 × 10⁻² molowe.

W przypadku związków, które mają taką samą stechiometrię dysocjacji, takich jak chlorek ołowiu i fluorek wapnia, gdzie 1 mol każdego związku wytwarza 3 mole rozpuszczonych jonów, odpowiednie wartości K_sp można bezpośrednio wykorzystać do porównania ich względnych rozpuszczalności.