1.溶度积常数
(1)溶度积的定义
一定温度下,在水溶液中,难溶强电解质达到沉淀与溶解平衡时(沉淀与溶解的速率相等),难溶强电解质由于溶解而电离产生的各离子相对平衡浓度幂之乘积为一常数,该常数称为溶度积常数,简称溶度积,用 表示,它代表难溶强电解质溶解趋势的大小或生成沉淀的难易。
如:AgCl(s)沉淀与溶液中的Ag + 和Cl - 之间的平衡表示为
AgCl(s) Ag + +Cl -
溶度积常数的表达式为: = c eq (Ag + )· c eq (Cl - )
又如难溶物氟磷灰石Ca 5 (PO 4 ) 3 F,其电离平衡方程式为:
对于A m B n 型的难溶电解质,沉淀平衡表示式为:
A m B n (s) m A n + + n B m -
溶度积常数的表达式为: =[ c eq (A n + )] m ·[ c eq (B m - )] n
表明难溶电解质在一定温度下饱和溶液中离子浓度幂之乘积为一常数。严格地说,溶度积应以离子活度幂之乘积来表示,但在稀溶液中,离子强度很小,活度因子趋近于1,故 c = a ,通常就可用浓度代替活度。
(2)溶度积的意义
①溶度积只是温度的函数。
②溶度积的数值可查表获得。
③同种类型难溶电解质溶解程度,可通过比较其溶度积大小判断。
2.溶度积和溶解度的关系(只适用于难溶电解质且不水解、不配位)
溶度积和摩尔溶解度都可表示难溶电解质在水中溶解能力的大小。A m B n 型难溶电解质的溶解度 s 和 的关系:
不同类型难溶强电解质的 与 s 的关系见下表。
表4-1 不同类型难溶强电解质的 与 s 的关系
由 可求算难溶强电解质的溶解度 s (单位为mol·L -1 ),反过来由溶解度 s (其他单位必须换算为mol·L -1 )可求难溶强电解质的 。
(1) 与 s 换算关系的使用条件
①只适用于溶解度很小的难溶强电解质,否则应用活度计算。
②仅适用于溶解后电离出的离子在水溶液中不发生任何化学反应的难溶强电解质。
③仅适用于溶解后一步完全电离的难溶强电解质。
(2)溶解度 s 的影响因素
①同离子效应:同离子效应使难溶强电解质的溶解度 s 下降。
②盐效应:盐效应使难溶强电解质的溶解度 s 适当增加。
对于同类型的难溶电解质,溶解度 s 愈大,溶度积 也愈大,对于不同类型的难溶电解质,不能直接根据溶度积来比较溶解度的大小。例如AgCl的溶度积比Ag 2 CrO 4 的大,但AgCl的溶解度反而比Ag 2 CrO 4 的小。这是由于Ag 2 CrO 4 的溶度积的表示式与AgCl的不同,前者与Ag + 浓度的平方成正比。
3.溶度积规则
离子积(ionproduct):在难溶电解质A m B n (s)的溶液中,任意浓度、任意状态下,各组分离子相对浓度幂次方的乘积用 J 表示,称为离子积或浓度幂。
J =
表示难溶电解质的饱和溶液中离子浓度幂的乘积,仅是 J 的一个特例。
溶度积规则:
(1) J = ,溶液为饱和溶液,溶液中的沉淀与溶解达到动态平衡。
(2) J < ,溶液为不饱和溶液,无沉淀析出,若有沉淀,则沉淀溶解。
(3) J > ,溶液为过饱和溶液,生成沉淀。
上述 J 与 的关系及其结论称溶度积规则,是沉淀-溶解平衡移动规律的总结,是判断沉淀溶解和生成的依据。
1.沉淀的生成
(1)沉淀的生成:根据溶度积规则,当溶液中的 J > 时,就会有沉淀生成。这是判断沉淀生成的唯一依据。
完全沉淀:一般认为溶液中某离子被沉淀剂消耗至1.0×10 -5 mol·L -1 时,即为完全沉淀。(定量分析要求10 -6 mol·L -1 )
(2)分步沉淀和共沉淀
分步沉淀:溶液中同时存在几种离子,均可与同一试剂反应产生沉淀,加入该试剂后首先析出的是离子积最先达到溶度积的化合物,溶液中多种离子按到达溶度积的先后次序分别沉淀出来的现象利用分步沉淀可以实现离子的分离。
共沉淀:若加入一种沉淀剂使溶液中的几种不同离子同时产生沉淀。
例如在含有相同浓度的I - 、Br - 、Cl - 的溶液中,逐滴加入AgNO 3 溶液,最先看到淡黄色AgI沉淀,加至一定量AgNO 3 溶液后才生成淡黄色的AgBr,最后才生成白色AgCl沉淀,这是由于三者溶度积不同,离子积最先达到溶度积者首先沉淀。
利用分步沉淀可进行离子间的相互分离。
(3)沉淀转化:在含有沉淀的溶液中,加入适当试剂使一种沉淀转化为另一种沉淀的过程称为沉淀转化。沉淀转化有两种情况:
①难溶强电解质转化为更难溶的强电解质
K ⊖ >1,转化可以进行; K ⊖ ≥10 6 ,转化反应进行得比较完全。
②难溶强电解质转化为稍易溶的难溶强电解质
K ⊖ <1,可通过增加反应物Na 2 CO 3 的量,使难溶的BaSO 4 转化为易溶的BaCO 3 。
2.沉淀的溶解
根据溶度积规则,要使处于沉淀平衡状态的难溶电解质向着溶解方向转化,就必须降低该难溶电解质饱和溶液中某一离子的浓度,以使其J< 。
(1)生成难解离的物质使沉淀溶解
①金属氢氧化物沉淀的溶解
例如:Mg(OH) 2 (s)+2HCl MgCl 2 +2H 2 O
Mg(OH) 2 氢氧化物中的OH - 是碱,加入HCl后生成H 2 O, c (OH - )降低, J [Mg(OH) 2 ]< [Mg(OH) 2 ],于是沉淀溶解。
②碳酸盐沉淀的溶解
例如:CaCO 3 (s)+2HCl CaCl 2 +CO 2 ↑+H 2 O
CaCO 3 的 与酸生成难解离的 甚至CO 2 气体,加入HCl后,H + 与溶液中的 反应生成难解离的 或CO 2 气体和水,使溶液中 降低,导致 J (CaCO 3 )< (CaCO 3 ),故沉淀溶解。
③金属硫化物沉淀的溶解
例如:ZnS(s)+2HCl ZnCl 2 +H 2 S
在ZnS沉淀中加入HCl,由于H + 与S 2- 结合生成HS - ,再与H + 结合生成H 2 S气体,使ZnS的 J (ZnS)< (ZnS),沉淀溶解。
④PbSO 4 沉淀的溶解
例如:PbSO 4 (s)+2NH 4 Ac Pb(Ac) 2 +(NH 4 ) 2 SO 4
在PbSO 4 沉淀中加入NH 4 Ac,能形成可溶性难解离的Pb(Ac) 2 ,使溶液中 c (Pb 2+ )降低,导致PbSO 4 的 J (PbSO 4 )< (PbSO 4 ),沉淀溶解。
(2)利用氧化还原反应使沉淀溶解
HgS、CuS等 K sp 值很小的金属硫化物就不能溶于盐酸。加入氧化剂,使某一离子发生氧化还原反应而降低其浓度。
例如:3CuS+8HNO 3 =3Cu(NO 3 ) 2 +3S↓+2NO↑+4H 2 O
(3)生成配合物使沉淀溶解
例如:AgCl(s)+2NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + +Cl -
在AgCl沉淀中加入氨水、Na 2 S 2 O 3 、KCN等,由于Ag + 可以和 等结合成难解离的配离子[Ag(NH 3 ) 2 ] + 、[Ag(S 2 O 3 ) 2 ] 3- 、[Ag(CN) 2 ] - 等,使AgCl溶解。