Liukoisuus ja Ksp: kuinka paljon liukenee ja milloin se saostuu

Liukoisuustulon lausekkeen kirjoittaminen

Kun niukkaliukoinen ioninen kiinteä aine on kosketuksissa kylläisen liuoksensa kanssa, liukeneminen ja saostuminen tapahtuvat yhtä nopeasti. Kalsiumfluoridille CaF₂(s) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2 F⁻(aq), ja tasapainovakio on Ksp = [Ca²⁺][F⁻]². Kiinteä aine jätetään pois, koska se on puhdas faasi.

Kunkin ionin pitoisuus korotetaan liukenemisyhtälön kertoimen osoittamaan potenssiin. Hopeakromaatille, Ag₂CrO₄(s) ⇌ 2 Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq), Ksp = [Ag⁺]²[CrO₄²⁻]. Lyijy(II)jodidille Ksp = [Pb²⁺][I⁻]².

Moolinen liukoisuus, s, on niiden kiinteän aineen moolien lukumäärä, jotka liukenevat litraan kylläistä liuosta. Se liittyy Ksp:hen liukenemisen stoikiometrian kautta, joten Ksp ja liukoisuus eivät ole sama luku, eikä niitä voi verrata suoraan eri kaavatyyppiä olevien suolojen välillä.

Ksp:stä mooliseen liukoisuuteen

Läpikäyty esimerkki 1. Hopeakloridin Ksp on liitteessä J 1.6 × 10⁻¹⁰. Jos s mol/L liukenee, [Ag⁺] = [Cl⁻] = s, joten Ksp = s². Silloin s = √(1.6 × 10⁻¹⁰) = 1.3 × 10⁻⁵ M. Kun M(AgCl) = 143.32 g/mol, se on 1.8 × 10⁻³ g litrassa, pari milligrammaa.

Läpikäyty esimerkki 2. Kalsiumfluoridin Ksp = 4.0 × 10⁻¹¹. Jos s mol/L liukenee, [Ca²⁺] = s ja [F⁻] = 2s, joten Ksp = s(2s)² = 4s³. Silloin s = (4.0 × 10⁻¹¹ / 4) potenssiin 1/3 = 2.2 × 10⁻⁴ M.

Vertaa näitä kahta. AgCl:n Ksp on suurempi, mutta silti CaF₂ liukenee mooleina litraa kohti noin 17 kertaa paremmin. Eksponentti muuttaa sitä, miten Ksp vastaa liukoisuutta, joten liukoisuuden voi asettaa järjestykseen Ksp:n perusteella vain suoloille, joilla on sama ionisuhde.

• 1:1-suolat, kuten AgCl tai CaCO₃: Ksp = s².
• 1:2- tai 2:1-suolat, kuten CaF₂, PbI₂ tai Ag₂CrO₄: Ksp = 4s³.
• 1:3-suolat, kuten Al(OH)₃: Ksp = 27s⁴.

Mitatusta liukoisuudesta takaisin Ksp:hen

Laskun voi tehdä myös toiseen suuntaan. Oletetaan, että lyijy(II)jodidin kylläisen liuoksen todetaan lämpötilassa 25 °C sisältävän 0.70 g liuennutta PbI₂:ta litrassa. Kun M(PbI₂) = 461.0 g/mol, s = 0.70 / 461.0 = 1.52 × 10⁻³ M.

Jokainen liukeneva PbI₂ antaa yhden Pb²⁺:n ja kaksi I⁻:ta, joten [Pb²⁺] = 1.52 × 10⁻³ M ja [I⁻] = 3.04 × 10⁻³ M. Silloin Ksp = (1.52 × 10⁻³)(3.04 × 10⁻³)² = 1.4 × 10⁻⁸, mikä vastaa liitteen J arvoa. Kaksi virhettä on tässä yleisiä. Kertoimen 2 unohtaminen [I⁻]:sta tekee Ksp:stä neljä kertaa liian pienen. [I⁻]:n korottamisen toiseen potenssiin unohtaminen antaa kokonaan väärän s:n potenssin.

Yhteisen ionin lisääminen heikentää liukoisuutta

Jos liuoksessa on jo jotakin suolan ioneista, Le Chatelier'n periaate työntää liukenemistasapainoa takaisin kohti kiinteää ainetta. Tämä on yhteisen ionin vaikutus.

Läpikäyty esimerkki. Selvitä AgCl:n liukoisuus 0.10 M NaCl-liuokseen. Nyt [Cl⁻] = 0.10 + s, ja s on mitättömän pieni arvoon 0.10 verrattuna, joten [Cl⁻] ≈ 0.10 M. Silloin s = Ksp / [Cl⁻] = 1.6 × 10⁻¹⁰ / 0.10 = 1.6 × 10⁻⁹ M. Se on noin 8 000 kertaa pienempi kuin puhtaassa vedessä, ja s on selvästi mitätön arvoon 0.10 verrattuna, joten approksimaatio pätee.

CaF₂:lle 0.010 M NaF-liuoksessa [F⁻] ≈ 0.010 M ja s = 4.0 × 10⁻¹¹ / (0.010)² = 4.0 × 10⁻⁷ M, noin 540 kertaa pienempi kuin puhtaassa vedessä. Muista korottaa fluoridipitoisuus tässä toiseen potenssiin, aivan kuten Ksp-lausekkeessa.

Saostuuko se? Q:n vertaaminen Ksp:hen

Kun haluat ennustaa, syntyykö kahden liuoksen sekoittamisesta kiinteää ainetta, laske ionitulo Q sekoittamisen jälkeisistä pitoisuuksista ja vertaa sitä Ksp:hen. Jos Q on suurempi kuin Ksp, liuos on ylikylläinen ja muodostuu sakka. Jos Q on pienempi tai yhtä suuri kuin Ksp, kiinteää ainetta ei muodostu.

Läpikäyty esimerkki. Sekoita 50.0 mL 0.0010 M Pb(NO₃)₂-liuosta ja 50.0 mL 0.0020 M KI-liuosta. Sekoittaminen kaksinkertaistaa tilavuuden, joten kukin pitoisuus puolittuu: [Pb²⁺] = 5.0 × 10⁻⁴ M ja [I⁻] = 1.0 × 10⁻³ M. Q = (5.0 × 10⁻⁴)(1.0 × 10⁻³)² = 5.0 × 10⁻¹⁰. Se on pienempi kuin Ksp = 1.4 × 10⁻⁸, joten PbI₂:ta ei saostu.

Toista 0.020 M KI-liuoksella. Nyt [I⁻] = 1.0 × 10⁻² M sekoittamisen jälkeen ja Q = (5.0 × 10⁻⁴)(1.0 × 10⁻²)² = 5.0 × 10⁻⁸. Se ylittää Ksp:n, joten keltaista PbI₂:ta muodostuu. Sekoittamisesta johtuvan laimenemisen unohtaminen on näiden tehtävien yleisin virhe.

Selektiivinen saostus: ionien erottaminen Ksp:n avulla

Kun kaksi ionia voi kumpikin saostua saman reagenssin kanssa, ensin saostuu se, jonka suola tarvitsee pienemmän reagenssipitoisuuden. Hidas lisääminen voi silloin erottaa ne.

Läpikäyty esimerkki. Liuoksessa sekä Cl⁻:n että CrO₄²⁻:n pitoisuus on 0.010 M, ja Ag⁺:aa lisätään hitaasti. AgCl alkaa muodostua, kun [Ag⁺] = 1.6 × 10⁻¹⁰ / 0.010 = 1.6 × 10⁻⁸ M. Ag₂CrO₄, jonka Ksp = 9.0 × 10⁻¹² liitteestä J, alkaa muodostua, kun [Ag⁺]² × 0.010 = 9.0 × 10⁻¹², joten [Ag⁺] = 3.0 × 10⁻⁵ M. AgCl saostuu ensin.

Kun punainen Ag₂CrO₄ ilmestyy, [Cl⁻] on laskenut arvoon 1.6 × 10⁻¹⁰ / 3.0 × 10⁻⁵ = 5.3 × 10⁻⁶ M, joten liuokseen on jäänyt vain noin 0.05 prosenttia kloridista. Tämä jyrkkä värinmuutos on kloridin Mohrin titrauksen perusta.

Miksi jotkin suolat liukenevat paremmin happoon

Jos suolan anioni on emäs, kuten OH⁻, CO₃²⁻ tai F⁻, hapon lisääminen poistaa tämän anionin liuoksesta ja vetää liukenemista eteenpäin. Hydroksidit ja karbonaatit liukenevat paljon paremmin matalassa pH:ssa. Vahvojen happojen anionien suoloihin, kuten AgCl:ään, tällä tavalla ei ole vaikutusta.

Läpikäyty esimerkki. Magnesiumhydroksidin Ksp = 8.9 × 10⁻¹². Puhtaassa vedessä Ksp = 4s³ antaa s = 1.3 × 10⁻⁴ M ja [OH⁻] = 2.6 × 10⁻⁴ M, joten kylläisen liuoksen pH on 10.42. Jos puskuri sen sijaan pitää pH:n arvossa 9.00, niin [OH⁻] = 1.0 × 10⁻⁵ M ja s = 8.9 × 10⁻¹² / (1.0 × 10⁻⁵)² = 0.089 M, lähes 700 kertaa enemmän. Tämä olettaa, että puskurin kapasiteetti riittää sitomaan vapautuvan hydroksidin.

Ksp-virheet, jotka kannattaa tarkistaa ennen palauttamista

Useimmat virheet johtuvat liukenemisen stoikiometriasta eivätkä itse tasapainoajatuksesta. Kun kirjoitat liukenemisyhtälön ja sen alle s-termit, useimmat niistä paljastuvat.

• Ksp:n asettaminen yhtä suureksi kuin s² suolalle, joka vapauttaa kolme tai useampia ioneja.
• Ionin pitoisuuden kaksinkertaistaminen ilman sen korottamista toiseen potenssiin lausekkeessa tai päinvastoin.
• Liukoisuuden järjestäminen Ksp:n perusteella suoloille, joilla on eri ionisuhteet.
• Kummankin liuoksen laimenemisen unohtaminen, kun Q lasketaan sekoittamisen jälkeen.
• Jo läsnä olevan yhteisen ionin huomiotta jättäminen.
• Kiinteän aineen ottaminen mukaan Ksp-lausekkeeseen.