Произведение растворимости

Значительная часть солей неорганических кислот (сульфиды, карбонаты, фосфаты переходных металлов и ряд других) малорастворимы в воде. Поскольку большинство таких солей являются сильными электролитами, то в растворе они находятся в виде ионов. Таким образом малорастворимая соль состава Met_xAn_y в воде будет полностью диссоциирована на катионы металла Metⁿ⁺ и анионы кислотного остатка An^m–, которые будут находится в равновесии с твердой фазой (осадком Met_xAn_y):

MetxAny  xMetn+ + yAnm–.

(1.5)

В соответствии с законом действующих масс можно записать константу равновесия данной реакции:

,

(1.6)

где [Metⁿ⁺] – молярная концентрация катионов металла, [An^m–] –молярная концентрация анионов кислотного остатка, [Met_xAn_y] – молярная концентрация соли.

Поскольку в силу малой растворимости концентрация соли практически не изменяется, ее значение можно считать постоянной величиной. Поэтому уравнение (1.6) можно переписать в виде:

[Metn+]x[Anm–]y=const=ПР.

(1.7)

Т.е. в насыщенном растворе малорастворимой соли произведение концентраций ионов при данной температуре и давлении является величиной постоянной. Данная величина называется произведением растворимости и обозначается ПР. В зарубежной литературе принято обозначение Lp или Sp. Значения ПР для различных солей определяются экспериментально и заносятся в химические справочники.

Произведение растворимости имеет размерность, которая зависит от состава соли и пропорциональна размерности молярной концентрации (моль/л):

CuS  Cu²⁺ + S^2–

ПР(CuS)=[Cu²⁺][S^2–]=3.210^–38 моль²/л²

Mg₃(PO₄)₂  3Mg²⁺ + 2PO₄^3–

ПР(Mg₃(PO₄)₂)=[ Mg²⁺]³[PO₄^3–]²=110^–13 моль⁵/л⁵

В справочниках размерность ПР как правило не указывается.

Анализ значения произведения растворимости позволяет ориентировочно оценить, выпадет ли в данных условиях осадок данного вещества или нет. Для этого необходимо концентрацию ионов подставить в выражение (1.7) и сравнить полученное произведение с табличным значением ПР для данной соли. Условием образования осадка является превышение произведения концентрации ионов в степенях соответствующих стехиометрическим коэффициентам малорастворимого электролита над его произведением растворимости.

Процессы растворения минеральных вяжущих веществ

Минеральные вяжущие вещества – это тонко измельченные порошкообразные материалы (цементы, гипс, известь и др.), образующие при смешении с водой пластичную массу, затвердевающую в прочное камневидное тело и связывающую частицы твердых заполнителей и арматуру в монолитное целое.

Растворение и кристаллизация вяжущих веществ имеет много общего с аналогичными процессами для малорастворимых неорганических солей и подчиняется тем же закономерностям. Так, скорость растворения вяжущих увеличивается с ростом температуры и с увеличением степени дисперсности материала, т.е. тонкости помола. Как и в случае неорганических солей при растворении вяжущих происходит их диссоциация (как правило, с образованием ионов кальция, силикатных и алюминатных анионов).

Однако вяжущие вещества обладают рядом особенностей, среди которых важнейшей является их термодинамическая неустойчивость - метастабильность, связанная с технологией получения. Также вяжущие материалы образуют растворы, пересыщенные по отношению к конечным продуктам гидратации. Поэтому при взаимодействии с водой вяжущие материалы постепенно растворяются в воде, и одновременно из полученного раствора начинается кристаллизация новых веществ – гидратов, продуктов химического взаимодействия вяжущих с водой. Например, один из компонентов цементного клинкера (целит) взаимодействует с водой по уравнению:

3CaOAl₂O₃ + 6H₂O = 3CaOAl₂O₃6H₂O.

Причем, гидраты имеют меньшую растворимость, чем исходные вяжущие вещества Конченые продукты гидратации совместно с первоначальными частицами создают своеобразную структуру, в которой протекают процессы дальнейшей кристаллизации, ведущей к схватыванию и твердению вяжущих.

Таким образом, процессы гидратационного твердения минеральных вяжущих представляют собой совокупность последовательно протекающих процессов растворения исходных веществ и кристаллизации новых соединений в форме гидратов.

Минеральные вяжущие вещества являются основой современной строительной промышленности, и поэтому понимание механизма их твердения является принципиально важным для будущего инженера-строителя. Более подробно вяжущие вещества будут изучаться в курсе специальных дисциплин.