Химия СПС / 9

58

7 Лабораторная работа №7

Малорастворимые электролиты. Произведение растворимости

Цель работы: ознакомление с общими свойствами малорастворимых электролитов и методикой расчетов, связанных с произведением растворимости.

Оборудование и реактивы: конические пробирки, фарфоровые чашки, бюретка, металлические щипцы, асбестовая сетка, аналитические весы, электроплитка, эксикатор с осушителем, 0,5 М растворы NaCl, KI; 0,25 М растворы FeSO₄, Pb(NO₃)₂, (NH₄)₂S; сероводородная вода; насыщенный раствор CaSO₄.

7.1 Теоретические пояснения

Существует большая группа малорастворимых солей, гидроксидов, кислот, которые не могут, строго говоря, быть отнесены ни к сильным, ни к слабым электролитам. Их нельзя считать слабыми электролитами, так как водные растворы из-за малой растворимости веществ очень разбавлены, и вещества в них подвергаются полному распаду на ионы. Но и к сильным электролитам указанные соединения также нельзя отнести, поскольку их растворы содержат ничтожно малое количество ионов. Такие вещества принято называть малорастворимыми электролитами.

В насыщенном растворе малорастворимого электролита устанавливается гетерогенное равновесие между осадком и находящимися в растворе ионами:

А_mB_n mAⁿ⁺+nB^m-.

осадок насыщенный раствор

В насыщенном растворе скорости процессов растворения и кристаллизации одинаковы, а концентрации ионов над твердой фазой являются равновесными при данной температуре.

Константа равновесия данного гетерогенного процесса определяется только произведением активностей ионов в растворе и не зависит от активности твердого компонента. Она получила название произведения растворимости ПР.

(7.1)

Таким образом, произведение активностей ионов в насыщенном растворе малорастворимого электролита при заданной температуре есть величина постоянная.

Если электролит имеет очень низкую растворимость, то в его растворе концентрации ионов ничтожны. В этом случае межионным взаимодействием можно пренебречь и считать концентрации ионов равными их активностям. Тогда произведение растворимости можно выразить через равновесные молярные концентрации ионов электролита:

. (7.2)

Произведение растворимости, как любая константа равновесия, зависит от природы электролита и от температуры, но не зависит от концентрации ионов в растворе.

При увеличении концентрации одного из ионов в насыщенном растворе малорастворимого электролита, например, в результате введения другого электролита, содержащего тот же ион, произведение концентраций ионов становится больше величины произведения растворимости. При этом равновесие между твердой фазой и раствором смещается в сторону образования осадка. Осадок будет образовываться до тех пор, пока не установится новое равновесие, при котором снова выполняется условие (7.2), но уже при других соотношениях концентраций ионов. При увеличении концентрации одного из ионов в насыщенном растворе над твердой фазой концентрация другого иона уменьшается так, чтобы произведение растворимости осталось величиной постоянной при неизменных условиях.

Итак, условием выпадения осадка является:

. (7.3)

Если в насыщенном растворе малорастворимого электролита уменьшить концентрацию какого-либо его иона, то ПР станет больше произведения концентраций ионов. Равновесие сместится в сторону растворения осадка. Растворение будет продолжаться до тех пор, пока снова не станет выполняться условие (7.2).

Итак, условием растворения осадка является:

. (7.4)

7.2 Методика проведения опытов

7.2.1 Определение произведения растворимости сульфата кальция

На аналитических весах взвесьте фарфоровую чашку объемом 20-30 мл, прилейте в нее из бюретки 10 мл насыщенного раствора сульфата кальция и поставьте чашку с раствором на разогретую электрическую плитку. Когда вся вода испарится и на стенках чашки появится белый налет сульфата кальция, с помощью металлических щипцов перенесите чашку в эксикатор, заполненный осушителем. Спустя 20-30 минут взвесьте чашку и вычитанием из результата взвешивания массы пустой чашки определите массу выделившейся соли.

Определите произведение растворимости сульфата кальция, считая, что осадок соответствует формуле CaSO₄  0,5Н₂О. Для этого:

1) зная массу выделившегося кристаллогидрата, рассчитайте массу безводной соли CaSO₄;

2) зная массу CaSO₄ и объем раствора, рассчитайте молярную концентрацию CaSO₄, которая численно равна молярной концентрации каждого из ионов малорастворимого электролита CaSO₄;

3) Рассчитайте величину произведения растворимости для CaSO₄.

Пользуясь табличными данными для произведения растворимости CaSO₄, определите относительную ошибку опыта в процентах. Ошибка порядка 20% считается приемлемой.

7.2.2 Полнота осаждения иона

В коническую пробирку прилейте 2 мл раствора нитрата свинца (С= 0,25 моль/л) и добавьте к нему 3 мл раствора хлорида натрия (С=0,5 моль/л). Дайте осадку отстояться. Слейте с осадка жидкую фазу и распределите ее по двум пробиркам. В одну из пробирок добавьте 1 мл раствора хлорида натрия (С= 0,5 моль/л), а в другую — 1 мл иодида калия (С = 0,5 моль/л). Опишите свои наблюдения. При оформлении результатов опыта ответьте на вопросы.

1) Какая реакция идет в пробирке с нитратом свинца при добавлении хлорида натрия? Составьте молекулярное и ионное уравнения реакции. Укажите признак реакции.

2) В каком из двух случаев после декантации вновь образуется осадок? Составьте ионное уравнение реакции образования осадка. Укажите признак реакции.

3) На основании опыта сделайте вывод о сравнительной величине произведений растворимости хлорида и иодида свинца. Приведите справочные данные для произведения растворимости этих двух солей и проверьте по ним свое заключение.

7.2.3 Условие образования осадков малорастворимых электролитов

В две конические пробирки внесите по 1 мл раствора сульфата железа (II); С = 0,25 моль/л. В первую пробирку добавьте такой же объем сероводородной воды, а во вторую — раствора сульфида аммония (сделайте это при включенной тяге). Опишите свои наблюдения. При оформлении результатов опыта ответьте на вопросы.

1) В каком случае образовался осадок малорастворимого электролита? Запишите уравнение реакции в молекулярной и ионной форме.

2) При каком условии (а или б) образуется осадок FeS: а); б)?

3) Зная ПР_FeS и , найдите , необходимую для осаждения сульфида железа.

7.3 Требования к уровню подготовки студентов

• Знать понятия: малорастворимый электролит, насыщенный раствор, произведение растворимости.

• Иметь представление о гетерогенном равновесии между осадком малорастворимого электролита и его насыщенным раствором, о константе этого равновесия, ее зависимости от различных факторов.

• Уметь записывать выражения для произведения растворимости малорастворимых электролитов.

• Уметь по справочным значениям ПР рассчитывать растворимость малорастворимого электролита, активности (концентрации) его ионов в насыщенном растворе.

• Уметь использовать математические выражения для условий образования и растворения осадков малорастворимых электролитов.

7.4 Примеры решения задач

Пример 1

Образуется ли осадок гидроксида железа (III), если к 1 л 0,006 М раствора хлорида железа (III) прибавить 0,125л 0,0001 М раствора гидроксида калия? Произведение растворимости гидроксида железа (III) равно 3,810^-38. Степень электролитической диссоциации исходных веществ принять равной единице.

Решение

В насыщенном растворе гидроксида железа (III) устанавливается равновесие

Fe(OH)₃Fe³⁺+3OH^-,

для которого произведение растворимости, в силу малой концентрации растворов, может быть выражено через равновесные молярные концентрации:

ПР=[Fe³⁺][OH^-]³.

Молярная концентрация катионов железа равна молярной концентрации хлорида железа (III), а концентрация ионов ОН^- равна концентрации гидроксида калия. Рассчитаем концентрации ионов, принимая во внимание, что после сливания растворов гидроксида железа (III) и гидроксида калия объем раствора стал 1л + 0,125л = 1,125л.

,

[Fe³⁺][OH^-]³= 0,0053(1,1110^-5)³ = 7,210^-18.

Так как ПР<[Fe³⁺][OH^-]³, то можно сделать вывод, что в заданных условия будет выпадать осадок гидроксида железа(III).

Пример 2

Определить растворимость в воде карбоната серебра, если его произведение растворимости равно 6,1510^-12.

Решение

В насыщенном растворе карбоната серебра устанавливается равновесие

Ag₂CO₃2Ag⁺+CO₃^2-,

для которого произведение растворимости может быть выражено через равновесные молярные концентрации:

ПР=[Ag⁺]²[CO₃^2-].

Пусть растворимость карбоната серебра равна х моль/л, тогда [CO₃^2-]=х моль/л, [Ag⁺]=2х моль/л.

Учитывая величину произведения растворимости для карбоната серебра, составим уравнение:

6,1510^-12=(2х)²х

х=1,1510^-4.

Итак, растворимость карбоната серебра равна 1,1510^-4 моль/л.

7.5 Задания для самоконтроля

7.5.1 Какую минимальную концентрацию CaCl₂ нужно превысить в растворе, содержащем 0,01 моль/л Na₂CO₃, чтобы началось выпадение осадка CaCO₃? Произведение растворимости CaCO₃ равно 4,8∙10^-9. Диссоциацию электролитов считать полной, коэффициентами активности ионов пренебречь.

7.5.2 Какова растворимость Bi(OH)₃, выраженная в г/л, если величина произведения растворимости для этого гидроксида составляет 4,27∙10^-31?

7.5.3 Какой станет концентрация SrSO₄ в насыщенном растворе после прибавления к нему Na₂SO₄ до концентрации Na₂SO₄ 0,3 моль/л? Произведение растворимости SrSO₄ равно 3,2∙10^-7. Диссоциацию Na₂SO₄ считать полной, изменением ионной силы раствора пренебречь.

7.5.4 Какова величина произведения растворимости для BaF₂, если в 5 л воды можно растворить максимально 5,7 г этой соли?

7.5.5 Какую минимальную концентрацию Cd(NO₃)₂ нужно превысить в растворе, содержащем 0,002 моль/л Na₂S, чтобы началось выпадение осадка CdS? Произведение растворимости CdS равно 7,1∙10^-28. Диссоциацию электролитов считать полной, коэффициентами активности ионов пренебречь.

7.5.6 Какова растворимость Pb₃(PO₄)₂, выраженная в г/л, если величина произведения растворимости для этой соли составляет 7,94∙10^-43?

7.5.7 Какой станет концентрация Ag₂CO₃ в насыщенном растворе после прибавления к нему AgNO₃ до концентрации AgNO₃ 0,01 моль/л? Произведение растворимости Ag₂CO₃ равно 6,15∙10^-12. Диссоциацию AgNO₃ считать полной, изменением ионной силы раствора пренебречь.

7.5.8 В каком объеме насыщенного раствора содержится 2 г CaSO₄? Произведение растворимости CaSO₄ составляет 9,12∙10^-6.

7.5.9 Какую минимальную концентрацию NaCl нужно превысить в растворе, содержащем 0,01 моль/л Pb(NO₃)₂, чтобы началось выпадение осадка PbCl₂? Произведение растворимости PbCl₂ равно 2∙10^-5. Диссоциацию электролитов считать полной, коэффициентами активности ионов пренебречь.

7.5.10 Какова растворимость Ag₂CrO₄, выраженная в г/л, если величина произведения растворимости для этой соли составляет 1,3∙10^-12?

7.5.11 Запишите уравнение реакции образования какого-либо малорастворимого электролита (молекулярное и ионное) и выражение для произведения растворимости этого электролита.

7.5.12 По справочным значениям ПP_ZnS и ПР_CuS рассчитайте активность ионов S^2- в насыщенном растворе: a) ZnS; б) CuS.

7.5.13 Рассчитайте активность иона железа (Ш) в насыщенном растворе гидроксида железа. Во сколько раз в этом растворе меньше ?

7.5.14 По справочной величине произведения растворимости гидроксида магния вычислите растворимость этого гидроксида в моль/л при заданной температуре. Считайте, что коэффициенты активности .

7.5.15 Используя табличную величину , рассчитайте активность иона СО₃^{2 –} в растворе, где = 10 ^{– 3} моль/л.

7.6 Список рекомендуемой литературы

7.6.1 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А.Рабиновича и Х.М.Рубиной. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – С.125 – 128.

7.6.2 Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.И.Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – С.247 – 249.