№ 3456

54

П 80

ПРОИЗВЕДЕНИЕ

РАСТВОРИМОСТИ

Методическая разработка для студентов технических специальностей дневного отделения

НОВОСИБИРСК

2008

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

54 № 3456

П 80

ПРОИЗВЕДЕНИЕ

РАСТВОРИМОСТИ

Методическая разработка для студентов технических специальностей дневного отделения

НОВОСИБИРСК

2008

УДК 541.123(07)

П 80

Настоящая работа предназначена для самостоятельной работы студентов по курсу «Химия», в учебной программе которого планируется изучение темы «Произведение растворимости».

Кроме того, материалы разработки могут быть использованы при проведении практических занятий.

Составители:

А.И. Апарнев, канд. хим. наук, доц.,

Л.В. Шевницына, канд. техн. наук, доц.

Рецензент Т.П. Александрова, канд. хим. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре химии

© Новосибирский государственный

технический университет, 2008

Оглавление

Гетерогенные равновесия в системе осадок – насыщенный раствор малорастворимого электролита 4

Примеры решения задач 10

Задания для самостоятельного решения 19

Приложение 24

Гетерогенные равновесия в системе осадок – насыщенный раствор малорастворимого электролита

Закон действующих масс применим как к гомогенным равновесиям (например, к равновесиям в жидких растворах), так и к гетерогенным, т. е. к равновесиям в гетерогенных системах.

Гетерогенное равновесие – это равновесие, которое устанавливается на границе раздела фаз.

Далее рассмотрим гетерогенные равновесия типа: осадок (твердая фаза) какого-либо вещества – насыщенный раствор данного вещества (жидкая фаза), которые находятся в динамическом равновесии.

Примером подобной системы может служить насыщенный водный раствор карбоната кальция СаСО₃, находящийся в равновесии с осадком карбоната кальция:

СаСО₃(т)  Са²⁺ + .

В любой гетерогенной системе при неизменяющейся температуре самопроизвольно достигается состояние равновесия.

Способы выражения растворимости малорастворимых сильных электролитов

Сильные электролиты, растворимость которых не превышает 10^–2 моль/л, считают малорастворимыми (большая часть данного вещества находится в виде осадка, поэтому химические формулы этих веществ в ионно-молекулярных уравнениях записываются в молекулярном виде).

Растворившаяся часть малорастворимого сильного электролита в растворе полностью распадается на ионы.

Под растворимостью принимают концентрацию насыщенного раствора данного вещества при определенной температуре. Чаще всего на практике используют массовую растворимость вещества с_т и молярную растворимость вещества s.

Массовая растворимость вещества с_т – это масса растворенного вещества в граммах, содержащаяся в одном литре его насыщенного раствора

,

где т – масса растворенного вещества, г; V – объем насыщенного раствора, л.

Молярная растворимость вещества s – это количество (число молей) растворенного вещества, содержащееся в одном литре его насыщенного раствора

,

где т – масса растворенного вещества, г; М – молярная масса растворенного вещества, г/моль; V – объем насыщенного раствора, л.

Растворимость малорастворимого сильного электролита зависит от его природы и природы растворителя, температуры и давления (в случае, если поглощаются или выделяются газообразные вещества), присутствия других электролитов, а также веществ, способных образовывать комплексные соединения с данным малорастворимым электро-литом.

Произведение растворимости малорастворимого сильного электролита

Рассмотрим систему, в которой контактируют осадок и раствор того или иного вещества. Насыщенный раствор и осадок отделены друг от друга поверхностью раздела и являются фазами гетерогенной системы.

При соприкосновении с водой какого-либо малорастворимого электролита, например карбоната кальция СаСО₃, ионы Са²⁺ и под действием диполей воды переходят с поверхности кристаллов в раствор. Одновременно начнется и обратный процесс – осаждение СaСO₃, ионы Са²⁺ и в растворе могут сталкиваться с поверхностью кристаллов СaСO₃ и осаждаться (выделяться) под влиянием притяжения других ионов. Постепенно скорость растворения вещества уменьшается, а скорость противоположного процесса – осаждения увеличивается, что и приводит к состоянию динамического равновесия, при котором число ионов Са²⁺ и , уходящих в единицу времени с поверхности твердой фазы, равно числу ионов, возвращающихся на эту поверхность. Таким образом, получается насыщенный раствор карбоната кальция, в котором больше не наблюдается ни уменьшения количества твердой фазы, ни накопления ионов Са²⁺ и и в его насыщенном растворе устанавливается следующее равновесие:

С аСО₃(тв) Са²⁺(aq) + (aq).

К насыщенному раствору, как равновесной системе, применим закон действующих масс. Если скорость растворения v₁ показывает число ионов Са²⁺ и уходящих за определенное время с поверхности твердой фазы в раствор, то скорость должна быть прямо пропорциональна числу этих ионов на единице поверхности. Однако при уменьшении общего количества твердой фазы  (в процессе растворения) расположение ионов на ее поверхности остается неизменным. Поэтому можно допустить, что скорость растворения твердой фазы остается постоянной и равной некоторой величине K₁: v₁ = K₁.

Скорость противоположного процесса – осаждения – v₂ определяется числом столкновений ионов Са²⁺ и с единицей поверхности кристаллов СaСO₃ за то же время. Очевидно, она будет тем больше, чем выше концентрация ионов Са²⁺ и в растворе.      

Отсюда v₂ = K₂[Сa²⁺][ ] – величина, постоянная при неизменной температуре.

В насыщенном растворе скорости обоих процессов равны: v₁ = v₂. Поэтому можно записать:

K₂[Сa²⁺][ ] = K₁  или [Сa²⁺][ ] = .

Отношение двух постоянных величин  – величина постоянная, которую принято обозначать ПР(СaСO₃).

В общем случае малорастворимый электролит диссоциирует по уравнению:

K _nA_m    nK^m+ + mA^n–.

Тогда правило произведения растворимости получает такое математическое выражение:

[K^m+]ⁿ[A^n–]^m = ПР (K_nA_m),

где [K^m+] и [А^n–] — равновесные концентрации катионов и анионов, образующихся при диссоциации электролита K_nA_m; n и m – степени, в которые необходимо возвести концентрации ионов. Например:

ПР(Cd(OH)₂) = [Cd²⁺][OH^–]²,

ПР (Ba₃(PO₄)₂) = [Ba²⁺]³[ ]².

Величина ПР количественно характеризует свойство малорастворимого электролита растворяться и называется произведением растворимости. Отсюда следует правило: как бы не изменялись концентрации отдельных ионов в насыщенном растворе малорастворимого электролита, произведение их (при неизменной температуре) остается постоянной величиной.

Для более точного вычисления произведений растворимости справедливее пользоваться не концентрациями ионов малорастворимого электролита, а их активностями, так как в растворе электролита действуют межионные силы. Если учитывать эти силы, то выражение ПР для карбоната кальция имеет вид:

ПР (СaСO₃) = a(Сa²⁺) a( ) = f (Сa²⁺)[Сa²⁺] f( )[ ].

Для сильных слаборастворимых электролитов, у которых молярная растворимость < 10^–2 моль/л, применяется следующее правило: произведение растворимости – это величина, равная произведению равновесных активностей ионов данного электролита в его насыщенном растворе в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам и при некоторой температуре есть величина постоянная.