Oplosbaarheidsevenwichten

Oplosbaarheidsevenwichten worden tot stand gebracht wanneer het oplossen en neerslaan van een opgeloste stof met gelijke snelheden plaatsvindt. Deze evenwichten liggen ten grondslag aan veel natuurlijke en technologische processen, variërend van tandbederf tot waterzuivering. Een goed begrip van de factoren die de oplosbaarheid van verbindingen beïnvloeden, is daarom essentieel voor het effectieve beheer van deze processen. In dit gedeelte worden eerder geïntroduceerde evenwichtsconcepten en -hulpmiddelen toegepast op systemen waarbij oplossing en neerslag betrokken zijn.

Het oplosbaarheidsproduct

Bedenk dat de oplosbaarheid van een stof kan variëren van in wezen nul (onoplosbaar of matig oplosbaar) tot oneindig (mengbaar). Een opgeloste stof met een eindige oplosbaarheid kan een verzadigde oplossing opleveren wanneer deze aan een oplosmiddel wordt toegevoegd in een hoeveelheid die de oplosbaarheid ervan overschrijdt, wat resulteert in een heterogeen mengsel van de verzadigde oplossing en de overmaat, onopgeloste opgeloste stof. Een verzadigde oplossing van zilverchloride is bijvoorbeeld een oplossing waarin het hieronder weergegeven evenwicht is bereikt.

In deze oplossing lost een overmaat aan vast AgCl op en dissocieert om watergebonden Ag+- en Cl–-ionen te produceren in dezelfde snelheid als deze watergebonden ionen combineren en neerslaan om vast AgCl te vormen. Omdat zilverchloride een slecht oplosbaar zout is, is de evenwichtsconcentratie van de opgeloste ionen in de oplossing relatief laag.

De evenwichtsconstante voor oplosbaarheidsevenwichten zoals deze wordt in dit geval de oplosbaarheidsproductconstante K_sp genoemd

Bedenk dat alleen gassen en opgeloste stoffen worden weergegeven in evenwichtsconstante-uitdrukkingen, dus de K_sp bevat geen term voor het onopgeloste AgCl.

K_sp en oplosbaarheid

De K_sp van een enigszins oplosbare ionische verbinding kan eenvoudigweg in verband worden gebracht met de gemeten oplosbaarheid ervan, op voorwaarde dat het oplossingsproces alleen dissociatie en solvatatie omvat, bijvoorbeeld:

Voor gevallen als deze kan men K_sp-waarden afleiden uit de verschafte oplosbaarheden, of omgekeerd. Dit soort berekeningen kunnen het gemakkelijkst worden uitgevoerd met behulp van de molaire oplosbaarheid van een verbinding, gemeten als mol opgeloste stof per liter verzadigde oplossing.

Neerslag voorspellen

De vergelijking die het evenwicht beschrijft tussen vast calciumcarbonaat en zijn gesolvateerde ionen is:

Het is belangrijk om te beseffen dat dit evenwicht tot stand komt in elke waterige oplossing die Ca²⁺- en CO₃^2–-ionen bevat, en niet alleen in een oplossing die wordt gevormd door water te verzadigen met calciumcarbonaat. Denk bijvoorbeeld aan het mengen van waterige oplossingen van de oplosbare verbindingen natriumcarbonaat en calciumnitraat. Als de concentraties calcium- en carbonaationen in het mengsel geen reactiequotiënt Q opleveren dat het oplosbaarheidsproduct K_sp overschrijdt, zal er geen neerslag optreden. Als de ionenconcentraties een reactiequotiënt opleveren dat groter is dan het oplosbaarheidsproduct, zal er neerslag optreden, waardoor die concentraties worden verlaagd totdat een evenwicht is bereikt (Q = K_sp). De vergelijking van Q met K_sp om neerslag te voorspellen is een voorbeeld van de algemene benadering voor het voorspellen van de richting van een reactie die voor het eerst werd geïntroduceerd in de lessen over evenwicht. Voor het specifieke geval van oplosbaarheidsevenwichten:

Q < K_sp: de reactie verloopt in voorwaartse richting (de oplossing is niet verzadigd; er wordt geen neerslag waargenomen)

Q > K_sp: de reactie verloopt in de omgekeerde richting (de oplossing is oververzadigd; er zal neerslag optreden)