Тема 9. Гетерогенные равновесия и процессы. Произведение растворимости, условия образования и растворения осадков

1. Теоретические сведения

Количество растворенного вещества, необходимое для получения насыщенного раствора в заданном количестве растворителя определяет растворимость этого вещества в данном растворителе.

Растворимость – с одной стороны характеризует способность вещества растворяться, определяемую природой вещества и растворителя, температурой и др. факторами, с другой – это количественная характеристика насыщенного раствора в единицах концентрации: моль/дм³ , г/100 г растворителя.

Наиболее распространенным растворителем на нашей планете является вода.

В воде различают: практически нерастворимые вещества – стекло, металлы, фосфаты Ca и Zn, AgCl, BaSO₄, керосин, растительное масло, инертные газы и др.; малорастворимые – гипс,PbSO₄ , многие гидроксиды и соли, CH₄, O₂, N₂, бензол, анилин и др.; хорошо растворимые – сахар, хлориды и нитраты щелочных металлов, ацетон, этиловый спирт, NH₃,HCl и др (приложение 8).

Чем ближе природа веществ, тем лучше они растворяются друг в друге, то есть выполняется эмпирическое правило «подобное растворяется в подобном».

Растворимость (S) – способность вещества посылать в раствор свои ионы, это молярность его насыщенного раствора. Абсолютно нерастворимых веществ нет. Определяется концентраций вещества в насыщенном растворе:

(73)

S = (74)

Например: осадок Ca₃(PO₄)₂ = 3Ca²⁺ + 2PO₄^3-

S(Ca₃(PO₄)₂) = 3S(Ca²⁺) + 2S(PO₄^3-)

S(Ca₃(PO₄)₂) =

Считается что малорастворимые соли могут переходить в раствор только в виде ионов. Раствор, находящийся в равновесии с осадком называется насыщенным.

При контакте малорастворимого сильного электролита с водой образуется насыщенный раствор – термодинамически устойчивая равновесная система, в которой скорость растворения вещества равна скорости его выделения из раствора (рис. 32): u_раств.= u_ос.

AgCl↔ Ag⁺ + Cl^- Применяем закон действующих масс:

Рис. 32. Насыщенный раствор AgCl.

Так как Кр и концентрация твердого вещества не изменяется:

(75)

В общем случае для малорастворимого электролита Kt_nAn_m произведение растворимости (ПР) определяется стехиометрическим произведением концентраций ионов, находящихся в равновесном (насыщенном) растворе:

Kt_nAn_m ↔ nKt^m+ + mAn^n-

осадок раствор

ПР = [Kt^m+]ⁿ∙[An^n-]^m (76)

Правило Нернста. ПР - в насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита это произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной температуре.

Произведение растворимости зависит от природы малорастворимого электролита, от природы растворителя и температуры. Это количественная характеристика растворения. Чем больше ПР, тем больше растворимость. ПР можно найти зная растворимость. Значения ПР приводятся в справочной литературе (приложение 9).

В случае сильного электролита оперируем понятием активности («эффективной концентрации»): a = f∙c

ПР⁰ = a ⁿ (Kt^m+) ∙a ^m (An^n-) = f(Kt^m+)∙ f(An^n-)∙ ПР⁰ (77)

где f (или¡) – коэффициенты активности, значение которых приближается к единице при сильном разбавлении.

Следовательно, в разбавленных растворах ПР⁰= ПР_.

Зависимость ПР от температуры при p,T = const описывается изобарой химической реакции:

(78)

Изотерма химического равновесия для гетерогенной системы:

^Δ_sG = -RTln ПР+ RTln[Kt^m+]ⁿ[ An^n-]^m (79)

где[Kt^m+]ⁿ[ An^n-]^m - произведение неравновесных концентраций.

Когда

[Kt^m+]ⁿ[ An^n-]^m < ПР происходит растворение осадка (раствор ненасыщен);

[Kt^m+]ⁿ[ An^n-]^m > ПР идёт процесс образования осадка (раствор пересыщен);

[Kt^m+]ⁿ[ An^n-]^m = ПР система находится в равновесном состоянии (раствор насыщен).

Равновесием в насыщенном растворе можно управлять.