Home » Articole » Articole » Știință » Chimie » Precipitare și dizolvare – Produsul de solubilitate – Constanta produsului de solubilitate

Precipitare și dizolvare – Produsul de solubilitate – Constanta produsului de solubilitate

postat în: Chimie 0

Fluoritul mineralFigura 15.1 Fluoritul mineral (CaF2) se formează atunci când ionii de calciu și fluorură dizolvați precipită din apele subterane din scoarța terestră. Rețineți că fluoritul pur este incolor și că culoarea din această probă se datorează prezenței altor ioni metalici în cristal.

Fluoritul mineral, CaF2 Figura 15.1, este folosit în mod obișnuit ca piatră semiprețioasă în multe tipuri de bijuterii datorită aspectului său uimitor. Depozitele de fluorit se formează printr-un proces numit precipitare hidrotermală, în care ionii de calciu și fluorură dizolvați în apele subterane se combină pentru a produce CaF2 insolubil ca răspuns la unele schimbări în condițiile soluției. De exemplu, o scădere a temperaturii poate declanșa precipitarea fluoritului dacă solubilitatea acestuia este depășită la temperatura mai scăzută. Deoarece ionul de fluor este o bază slabă, solubilitatea sa este, de asemenea, afectată de pH-ul soluției și, prin urmare, procesele geologice sau alte procese care modifică pH-ul apei subterane vor afecta, de asemenea, precipitarea fluoritului. Acest capitol extinde discuția de echilibru din alte capitole abordând câteva clase de reacție suplimentare (inclusiv precipitarea) și sisteme care implică reacții de echilibru cuplate.

Precipitare și dizolvare

Echilibrele de solubilitate sunt stabilite atunci când dizolvarea și precipitarea unei specii de soluți au loc la viteze egale. Aceste echilibre stau la baza multor procese naturale și tehnologice, de la carii până la purificarea apei. O înțelegere a factorilor care afectează solubilitatea compusului este, prin urmare, esențială pentru gestionarea eficientă a acestor procese. Această secțiune aplică conceptele și instrumentele de echilibru introduse anterior sistemelor care implică dizolvare și precipitare.

Produsul de solubilitate

Reamintim din capitolul despre soluții că solubilitatea unei substanțe poate varia de la esențial zero (insolubil sau puțin solubil) la infinit (miscibil). O substanță dizolvată cu solubilitate finită poate produce o soluție saturată atunci când este adăugată la un solvent într-o cantitate care depășește solubilitatea sa, rezultând un amestec heterogen de soluție saturată și excesul de soluție nedizolvată. De exemplu, o soluție saturată de clorură de argint este una în care a fost stabilit echilibrul prezentat mai jos.

AgCl(s) (precipitare)<=>(dizolvare) Ag+(aq) + Cl(aq)

În această soluție, un exces de AgCl solid se dizolvă și se disociează pentru a produce ioni apos Ag+ și Cl la aceeași viteză cu care acești ioni aposi se combină și precipită pentru a forma AgCl solid (Figura 15.2). Deoarece clorura de argint este o sare puțin solubilă, concentrația de echilibru a ionilor săi dizolvați în soluție este relativ scăzută.

Clorura de argintFigura 15.2 Clorura de argint este un solid ionic puțin solubil. Când este adăugat în apă, se dizolvă ușor și produce un amestec format dintr-o soluție foarte diluată de ioni Ag+ și Cl în echilibru cu clorură de argint nedizolvată.

Constanta de echilibru pentru echilibrele de solubilitate, cum ar fi aceasta, se numește constanta produsului de solubilitate, Ksp, în acest caz

AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl(aq) , Ksp = [Ag+(aq)][Cl(aq)]

Reamintim că numai gazele și substanțele dizolvate sunt reprezentate în expresii constante de echilibru, deci Ksp nu include un termen pentru AgCl nedizolvat. O listă a constantelor produsului de solubilitate pentru mai mulți compuși puțin solubili este furnizată în Anexa J.

Exemplul 15.1Scrierea ecuațiilor și a produselor de solubilitate

Scrieți ecuația de dizolvare și expresia produsului de solubilitate pentru fiecare dintre următorii compuși ionici ușor solubili:

(a) AgI, iodură de argint, un solid cu proprietăți antiseptice

(b) CaCO3, carbonat de calciu, ingredientul activ al multor antiacide masticabile fără prescripție medicală

(c) Mg(OH)2, hidroxid de magneziu, ingredientul activ din laptele de magnezie

(d) Mg(NH4)PO4, fosfat de magneziu și amoniu, o substanță esențial insolubilă utilizată în testele pentru magneziu

(e) Ca5(PO4)3OH, apatita minerală, o sursă de fosfat pentru îngrășăminte

Soluţie

(a)AgI(s) <=> Ag+(aq) + I(aq) , Ksp = [Ag+][I]

(b)CaCO3(s) <=> Ca2+(aq) + CO32−(aq) , Ksp = [Ca2+][CO32−]

(c)Mg(OH)2(s) <=> Mg2+(aq) + 2OH(aq) , Ksp = [Mg2+][OH]2

(d)Mg(NH4)PO4(s) <=> Mg2+(aq) + NH4+(aq) + PO43−(aq) , Ksp = [Mg2+][NH4+][PO43−]

(e)Ca5(PO4)3OH(s) <=> Ca52+(aq) ) + 3PO43−(aq) + OH(aq) ,  Ksp = [Ca2+]5[PO43−]3[OH]

Exercițiu

Scrieți ecuația de dizolvare și produsul de solubilitate pentru fiecare dintre următorii compuși ușor solubili:

(a) BaSO4

(b) Ag2SO4

(c) Al(OH)3

(d) Pb(OH)CI

Răspuns:

(a) BaSO4(s) <=> Ba2+(aq) + SO42−(aq) , Ksp = [Ba2+][SO42−];

(b) Ag2SO4(s) <=> 2Ag+(aq) + SO42−(aq) , Ksp = [ Ag+]2[SO42−];

(c) Al(OH)3(s) <=> Al3+( aq) + 3OH(aq) , Ksp = [Al3+][OH]3;

(d) Pb(OH)Cl(s) <=> Pb2+(aq) + OH(aq) + Cl(aq) , Ksp = [Pb2+][OH][Cl]

Ksp și solubilitatea

Ksp al unui compus ionic ușor solubil poate fi legat pur și simplu de solubilitatea sa măsurată, cu condiția ca procesul de dizolvare să implice doar disociere și solvatare, de exemplu:

MpXq(s) <=> pMm+(aq) + qXn−(aq)

Pentru cazuri ca acestea, se pot deriva valorile Ksp din solubilitățile furnizate sau invers. Calculele de acest fel sunt cel mai convenabil efectuate folosind solubilitatea molară a compusului, măsurată ca moli de soluție dizolvată per litru de soluție saturată.

Exemplul 15.2Calculul Ksp din concentrațiile de echilibru

Fluoritul, CaF2, este un solid ușor solubil care se dizolvă conform ecuației:

CaF2(s) <=> Ca2+(aq) + 2F(aq)

Concentrația de Ca2+ într-o soluție saturată de CaF2 este 2,15 × 10–4 M. Care este produsul de solubilitate al fluoritului?

Soluţie

Conform stoichiometriei ecuației de dizolvare, molaritatea ionului de fluor a unei soluții de CaF2 este egală cu dublul molarității ionilor de calciu:

[F] = (2molF/1molCa2+) = (2)(2,15 × 10−4 M) = 4,30 × 10−4 M

Substituind concentrațiile ionilor în expresia Ksp rezultă

Ksp = [Ca2+][F]2 = (2,15 × 10−4)(4,30 × 10−4)2 = 3,98 × 10−11

Exercițiu

Într-o soluție saturată de Mg(OH)2, concentrația de Mg2+ este 1,31 × 10–4 M. Care este produsul de solubilitate pentru Mg(OH)2?

Mg(OH)2(s) <=> Mg2+(aq) + 2OH(aq)

Răspuns:

8,99 × 10–12

 

Exemplul 15.3Determinarea solubilității molare din Ksp

Ksp al bromurii de cupru (I), CuBr, este de 6,3 × 10–9. Calculați solubilitatea molară a bromurii de cupru.

Soluţie

Ecuația de dizolvare și expresia produsului de solubilitate sunt

CuBr(s) <=> Cu+(aq) + Br(aq)

Ksp=[Cu+][Br]

Urmând abordarea ICE a acestui calcul rezultă tabelul

CuBr(s) <=> Cu+(aq) + Br(aq)
Concentrația inițială (M) 0 0
Schimb (M) +x +x
Concentrația de echilibru (M) x x

Înlocuirea termenilor concentrației de echilibru în expresia produsului de solubilitate și rezolvarea pentru x produce

Ksp = [Cu+][Br−]

6,3 × 10−9 = (x)(x) = x2

x = √(6,3×10−9) = 7,9 × 10−5 M

Deoarece stoichiometria de dizolvare arată că se produce un mol de ion de cupru (I) și un mol de ion de bromură pentru fiecare mol de Br dizolvat, solubilitatea molară a CuBr este de 7,9 × 10–5 M.

Exercițiu

Ksp al AgI este 1,5 × 10–16. Calculați solubilitatea molară a iodurii de argint.

Răspuns:

1,2 × 10–8 M

 

Exemplul 15.4Determinarea solubilității molare din Ksp

Ksp al hidroxidului de calciu, Ca(OH)2, este 1,3 × 10–6. Calculați solubilitatea molară a hidroxidului de calciu.

Soluţie

Ecuația de dizolvare și expresia produsului de solubilitate sunt

Ca(OH)2(s) <=> Ca2+(aq) + 2OH(aq)

Ksp = [Ca2+][OH]2

Tabelul ICE pentru acest sistem este

Ca(OH)2(s) <=> Ca2+(aq) + 2OH(aq)
Concentrația inițială (M) 0 0
Schimb (M) +x +2x
Concentrația de echilibru (M) x 2x

Înlocuirea termenilor pentru concentrațiile de echilibru în expresia produsului de solubilitate și rezolvarea pentru x dă

Ksp = [Ca2+][OH]2

1,3 × 10−6 ​= (x)(2x)2 = (x)(4x2) = 4x3

x = 3√(1,3 × 10−6/4) = 6,9 × 10−3 M

După cum este definit în tabelul ICE, x este molaritatea ionului de calciu din soluția saturată. Stoichiometria de dizolvare arată o relație 1:1 între molii de ion de calciu în soluție și molii de compus dizolvați și astfel, solubilitatea molară a Ca(OH)2 este de 6,9 × 10–3 M.

Exercițiu

Ksp al PbI2 este 1,4 × 10–8. Calculați solubilitatea molară a iodurii de plumb(II).

Răspuns:

1,5 × 10–3 M

 

Exemplul 15.5Determinarea Ksp din solubilitatea Gram

Mulți dintre pigmenții folosiți de artiști în vopselele pe bază de ulei (Figura 15.3) sunt puțin solubili în apă. De exemplu, solubilitatea pigmentului galben de crom folosit de artiști, PbCrO4, este de 4,6 × 10–6 g/L. Determinați produsul de solubilitate pentru PbCrO4.

Vopselele în uleiFigura 15.3 Vopselele în ulei conțin pigmenți care sunt foarte puțin solubili în apă. Pe lângă galbenul de crom (PbCrO4), exemplele includ albastrul prusac (Fe7(CN)18), vermilionul de culoare portocaliu-roșcat (HgS) și veridianul de culoare verde (Cr2O3). (Credit: Sonny Abesamis)

Soluţie

Înainte de a calcula produsul de solubilitate, solubilitatea furnizată trebuie convertită în molaritate:

[PbCrO4] = 4,6 × 10−6 g PbCrO4/1 L × 1 mol PbCrO4/323,2 g PbCrO4 = 1,4 × 10−8 mol PbCrO4/1 L = 1,4 × 10−8 M

Ecuația de dizolvare pentru acest compus este

PbCrO4(s) <=> Pb2+(aq) + CrO42−(aq)

Stoichiometria de dizolvare arată o relație 1:1 între cantitățile molare de compus și cei doi ioni ai săi, astfel încât atât [Pb2+] cât și [CrO42−] sunt egale cu solubilitatea molară a PbCrO4:

[Pb2+] = [CrO42−] = 1,4 × 10−8 M

Ksp = [Pb2+][CrO42−] = (1,4 × 10–8)(1,4 × 10–8) = 2,0 × 10–16

Exercițiu

Solubilitatea TlCl [clorura de taliu(I)], un intermediar format atunci când taliul este izolat din minereuri, este de 3,12 grame pe litru la 20 °C. Care este produsul său de solubilitate?

Răspuns:

1,69 × 10–4

 

Exemplul 15.6Calcularea solubilității Hg2Cl2

Calomelul, Hg2Cl2, este un compus compus din ionul diatomic de mercur (I), Hg22+ și ioni de clorură, Cl. Deși majoritatea compușilor de mercur sunt acum cunoscuți a fi otrăvitori, medicii din secolul al XVIII-lea au folosit calomelul ca medicament. Pacienții lor au suferit rareori intoxicații cu mercur din cauza tratamentelor, deoarece calomelul are o solubilitate foarte scăzută, așa cum sugerează Ksp-ul său foarte mic:

Hg2Cl2(s) <=> Hg22+(aq) + 2Cl(aq) , Ksp = 1,1 × 10−18

Calculați solubilitatea molară a Hg2Cl2.

Soluţie

Stoichiometria de dizolvare arată o relație 1:1 între cantitatea de compus dizolvat și cantitatea de ioni de mercur(I), astfel încât solubilitatea molară a Hg2Cl2 este egală cu concentrația ionilor Hg22+

În urma abordării ICE rezultă

Hg2Cl2(s) <=> Hg22+(aq) + 2Cl(aq)
Concentrația inițială (M) 0 0
Schimb (M) +x +2x
Concentrația de echilibru (M) x 2x

Înlocuind termenii concentrației de echilibru în expresia produsului de solubilitate și rezolvând pentru x dă

Ksp = [Hg22+][Cl]2

1,1 × 10−18 = (x)(2x)2

4x3 = 1,1 × 10−18

x = 3√(1,1 × 10−18/4) = 6,5 × 10−7 M

[Hg22+] = 6,5 × 10−7 M = 6,5 × 10−7 M

[Cl] = 2x = 2(6,5 × 10−7) = 1,3 × 10−6 M

Stoichiometria de dizolvare arată că solubilitatea molară a Hg2Cl2 este egală cu [Hg22+] sau 6,5 × 10–7 M.

Exercițiu

Determinați solubilitatea molară a MgF2 din produsul său de solubilitate: Ksp = 6,4 × 10–9.

Răspuns:

1,2 × 10–3 M

 

Cum se interconectează ȘtiinȚeleUtilizarea sulfatului de bariu pentru imagistica medicală

Diferite tipuri de tehnici de imagistică medicală sunt utilizate pentru a ajuta la diagnosticarea bolilor într-o manieră neinvazivă. O astfel de tehnică utilizează ingestia unui compus de bariu înainte de a face o imagine cu raze X. O suspensie de sulfat de bariu, o pulbere cretă, este ingerată de pacient. Deoarece Ksp al sulfatului de bariu este de 2,3 × 10–8, foarte puțin din acesta se dizolvă pe măsură ce acoperă mucoasa tractului intestinal al pacientului. Zonele tractului digestiv acoperite cu bariu apar apoi pe o radiografie ca fiind albe, permițând detalii vizuale mai mari decât o radiografie tradițională (Figura 15.4).

O suspensie de sulfat de bariuFigura 15.4 O suspensie de sulfat de bariu acoperă tractul intestinal, permițând detalii vizuale mai mari decât o radiografie tradițională. (Modificarea creditului lucrării lui glitzy queen00/Wikimedia Commons)

Imagistica medicală care utilizează sulfat de bariu poate fi utilizată pentru a diagnostica boala de reflux acid, boala Crohn și ulcerele, în plus față de alte afecțiuni.

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2023 MultiMedia Publishing

Pseudoştiinţă? Dincolo de noi…
Pseudoştiinţă? Dincolo de noi…

Întrebarea de bază este, ce este o pseudoştiinţă? Una din cele mai disputate delimitări ale ştiinţei. Mulţi savanţi de renume mondial, unanim recunoscuţi (ca de ex. Charles Darwin) au cochetat de-a lungul timpului cu diverse aspecte ale pseudoştiinţei considerându-le, cu … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 18.29 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Teoria generală a relativității
Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este o teorie metrică a gravitației. La baza ei sunt ecuațiile lui Einstein, care descriu relația dintre geometria unei varietăți patrudimensionale, pseudo-Riemanniene, reprezentând spațiu-timpul și energia-impulsul conținut în acel spațiu-timp. Fenomenele care în mecanica clasică sunt atribuite acțiunii … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 9.12 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Etica Big Data în cercetare
Etica Big Data în cercetare

Principalele probleme cu care se confruntă oamenii de știință în lucrul cu seturile mari de date (Big Data), evidențiind principale aspecte etice, luând în considerare inclusiv legislația din Uniunea Europeană. După o scurtă Introducere despre Big Data, secțiunea Tehnologia prezintă … Citeşte mai mult

Nu a fost votat 0.00 lei10.77 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *