无机及分析化学:第四章 沉淀平衡2
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第六章、沉淀溶解平衡物质溶解度大小往往有很大差别,但绝对不溶的物质是没有的。
一种物质可溶是指水溶液浓度>0.01 mol/L,若<0.01 mol/L,称为难溶物(微溶或难溶)。
我们可以利用物质的这类性质进行分离、提纯、鉴定。
6.1、溶度积常数(solubility constants)难溶电解质在水中的溶解平衡有固相和液相存在,这种离子平衡是一种多相平衡。
如:将AgCl固体放入水中,由于水分子是极性分子,有些水分子的正端朝着固体表面上的Cl-,有些水分子的负端朝着固体表面的Ag+。
由于Ag+和Cl-离子与水分子的相互作用,使固体表面上的Ag+和Cl-离子之间的吸引力减弱,使一部分Ag+、Cl-离开固体表面,成为水合离子进入溶液,溶解过程。
另一方面,溶液中的Ag+、Cl-离子撞到固体AgCl 表面时,又被吸引住而回到固体表面上,这种对立的过程叫沉淀。
在一定温度下,达到平衡状态。
+ (aq) + Cl-(aq)K = [Ag+][Cl-]/[AgCl]由于K为一常数,[AgCl]浓度值一定,可并入常数项。
Ksp = K [AgCl] = [Ag+][Cl-]25℃时(298k),AgCl的Ksp = 1.56×10-10Ksp叫难溶电解质(AgCl)的溶度积常数或溶度积。
(solubility-product constant)一般难溶电解质溶度积的通式为:mA n+(aq) + nB m-(aq)Ksp(AmBn) = [A n+]m[B m-]nCa2+ + C2O42- = CaC2O4Ksp = [Ca2+][ C2O42-]即:一定温度下,难溶强电解质饱和溶液中,离子浓度的系数次方之积为一常数。
Ksp表示出一种物质溶于水的难易程度,与Ka、Kb一样,Ksp也随温度而改变。
大部分物质的溶解度随温度的升高而增大。
6.2、溶度积和溶解度的相互换算溶度积和溶解度都可以表示物质的溶解能力,它们之间可以进行相互换算。
溶解度:每100克溶剂所溶解的溶质的量。
g/100g溶剂。
由溶度积计算的浓度的溶解度的单位:mol/L如:Ksp(AgCl) = 1.56×10-10+ + Cl-[Ag+] = [Cl-] = ss2 = Ksps = Ksp1/2 = 1.23×10-5 (mol/L)对于同种类型的物质,Ksp越小,溶解度越小。
如:AgCl AgBr AgIKsp 1.56×10-10 7.7×10-13 1.5×10-16s 1.4×10-5 2.7×10-6 1.2×10-8对于不同类型的盐类,其溶解度不能仅用Ksp来比较。
如: AgCl Ag2CrO4Ksp 1.56×10-10 9.0×10-12s 1.4×10-5Ksp(Ag2CrO4) = [Ag+]2[CrO42-]= (2s)2 s = 4s3s = {1/4 Ksp}1/3= {1/4×9.0×10-12}1/3= 1.31×10-4 (mol/L)Ksp(AgCl) > Ksp(Ag2CrO4)s (1.4×10-5 ) < s (1.31×10-4)6.3、溶度积规则难溶电解质溶液中,各离子浓度的浓度积Q = C A m C B n与Ksp的关系。
(1)Q = Ksp,为饱和溶液,达到动态平衡,无沉淀析出。
(2)Q<Ksp,为不饱和溶液,无沉淀析出,若体系中有固体存在,反应向沉淀溶解的方向移动,直至饱和为止。
(3)Q>Ksp,为过饱和溶液,反应向生成沉淀的方向进行,直至饱和为止。
NaAc 3H2O6.4、同离子效应和盐效应BaSO42+(aq) + SO42-(aq)Ksp = [Ba2+][ SO42-]= 1.08×10-10当在上述饱和溶液中加入Na2SO4溶液时,芒硝Na2SO4→ 2Na+ + SO42-由于Na2SO4的加入,使[SO42-]↑即Q > Ksp,平衡向左移动。
则[Ba2+]↓,但到平衡时,[Ba2+][SO42-]= Ksp结果,同离子效应,使难溶电解质的溶解度降低。
如果在难溶电解质的饱和溶液中加入不含相同离子的强电解质,将使难溶电解质的溶解度增大,这种现象称为盐效应。
如:BaSO4体系中加入NaCl。
一方面:Cl-对Ba2+,Na+对SO42-有静电作用,另一方面:Cl-,Na+的加入也影响SO42-和Ba2+的碰撞几率,导致溶解度增大。
实质是溶液离子强度增大,使有效浓度(活度)减小。
6.5、沉淀的生成1、沉淀生成的条件加入沉淀剂,使Q> Ksp。
如若要分离NaNO3和Na2SO4中的SO42-,只需要加入Ba(NO3)2,使(Ba2+)(SO42-) > Ksp,就可使BaSO4沉淀。
若要分离完全,即:[SO42-]= 10-6 mol/L,定量,定性,10-5 mol/L则:[Ba2+] = Ksp/ [SO42-]= 1.08×10-10/1×10-6= 1.08×10-4 (mol/L)2、控制溶液的pH值有些难溶的弱酸盐或氢氧化物,通过控制溶液的pH值可以使其沉淀或溶解。
例如:计算使0.01 mol/L的Fe3+开始沉淀和沉淀完全时的pH值。
Ksp(Fe(OH)3) = 1.1×10-36解:(1)开始沉淀时的pH值3+ + 3 OH-Fe(OH)[Fe3+] [OH-]3 = Ksp[OH-] = {Ksp/[Fe3+]}1/3= {1.1×10-36/0.01}1/3= 4.79×10-12pH = 14 - pOH= 14-(-lg 4.79×10-12)= 14-11.32 = 2.68≈ 2.7(2)沉淀完全时的pH值[Fe3+] = 1×10-5[OH-] = {Ksp/[Fe3+]}1/3= {1.1×10-36/1×10-5}1/3= 4.79×10-11pH = 14 -pOH = 10-10.32= 3.68≈ 3.7氢氧化物开始沉淀或沉淀完全不一定在碱性环境。
6.6、分步沉淀实验中常常遇到,当加入沉淀剂时,可以有多种离子生成难溶化合物。
例如:在含有0.1 mol/L 的Cl-和0.1 mol/L的I-溶液中,加入AgNO3,沉淀过程怎样?反应式:Ag+ + Cl-= AgClKsp(AgCl) = 1.56×10-10Ag+ + I-= AgIKsp(AgI) = 1.5×10-16I-沉淀完全时,[I-] = 1×10-6mol/L[Ag+] = Ksp(AgI)/[I-]= 1.5×10-16/1×10-6= 1.5×10-10 (mol/L)此时,[Cl-][Ag+] = 0.1×1.5×10-10= 1.5×10-11<Ksp(AgCl)Cl-开始沉淀时,需要[Ag+]为:[Ag+] = 1.56×10-10/0.1= 1.56×10-9 (mol/L)此时,AgI已沉淀完全了。
若比较Ksp值,[Ag+][Cl-] = 1.56×10-10[Ag+][I-] = 1.5×10-16由于[Ag+]相同,[Cl-]/[I-] = 1.04×106即[Cl-] = 1.04×106 [I-]时,AgCl开始沉淀。
此时,若[Cl-] = 0.1 mol/L,[I-] = 0.1/1.04×106= 9.6×10-8 (mol/L)利用分步沉淀原理,可使两种离子分离,而且两种沉淀的溶度积相差越大,分离得越完全。
6.7、沉淀的溶解根据溶度积规则,要使沉淀溶解,必须使Q<Ksp。
减小离子浓度的办法有:1、生成弱电解质①生成弱酸CaCO3,Ksp = 8.7×10-9,可溶于HCl或HAc(s) Ca2+(aq) + CO32-(aq)CaCO+HCl →Cl-(aq) + H+(aq)‖-+ H+CO2↑+ H2OHCO②生成水和弱碱(s) Mg2+(aq) + 2OH-(aq)Mg(OH)+2HCl →2Cl-(aq) + 2H+(aq)‖2H2OMg2+(aq) +2OH-(aq)Mg(OH)+2 NH4+‖2 NH3﹒H2O总反应式:Mg(OH)+ 2NH4+Mg2+ + 2NH3﹒H2O实际上包含了沉淀溶解平衡和酸碱平衡两重平衡。
ZnS + 2HCl →ZnCl2 + H2S↑2、氧化还原反应利用氧化还原反应,减少离子浓度,使难溶盐溶解。
3CuS(s) 3Cu2+(aq) + 3S2-(aq)+2NO3-+ 8H+↓3S↓+ 2NO↑+4H2O 总反应式:3CuS + 2NO3-+ 8H+ = 3S↓+ 2NO↑+ 4H2O + 3Cu2+3、生成配位化合物AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)+2NH3‖[Ag(NH3)2]+AgCl + 2NH3 = [Ag(NH3)2]+ + Cl-6.8、沉淀的转化在含有沉淀的溶液中,加入适当的试剂,与某一离子结合成为更难溶的物质,这种由一种沉淀转化为另一种沉淀的过程称为沉淀的转化。
PbCl2(s) + Na2CO3 = PbCO3(s) + 2NaClCaSO4(s) + Na2CO3 = CaCO3(s) + Na2SO4石膏9.1×10-68.7×10-9芒硝生成更难溶的。
Ag2CrO4(s) + 2NaCl = 2AgCl(s) + Na2CrO49.0×10-12 1.56×10-10若两种沉淀的Ksp相差不多时,相互转化反应不完全,此时,可改变浓度使转化反应较为完全。
如:BaSO4 + Na2CO3 = BaCO3 + Na2SO4Ksp 1.08×10-108.1×10-9二者差不多。
如用浓Na2CO3溶液多次处理BaSO4沉淀,可使它转化为BaCO3。
加HCl可以使白色沉淀溶解。