Условия выпадения осадка

9 заданий

Выпадет ли осадок

При смешении растворов малорастворимая соль образует осадок не при любых концентрациях её ионов. Чтобы предсказать результат, рассчитывают ионное произведение \(Q\) по текущим концентрациям ионов. Его выражение имеет тот же вид, что и выражение для произведения растворимости \(K_s\), но \(K_s\) относится к равновесию в насыщенном растворе (урок 56). Поэтому вывод делают, сравнивая \(Q\) и \(K_s\):

Если \(Q > K_s\), раствор пересыщен и осадок может выпасть.
Если \(Q = K_s\), раствор насыщен.
Если \(Q < K_s\), осадок не образуется, а уже имеющийся осадок растворяется.

errorНе забудьте разбавление

При сливании равных объёмов растворов концентрация каждого внесённого иона уменьшается вдвое. Для \(\ce{PbI2}\) ионное произведение имеет вид \(Q = [\ce{Pb^2+}][\ce{I-}]^2\). Поэтому уменьшение обеих концентраций вдвое уменьшает \(Q\) в 8 раз.

edit_noteЗолотой дождь

Смешаем по 10 мл \(10^{-3}\) М растворов \(\ce{Pb(NO3)2}\) и \(\ce{KI}\). После смешения \([\ce{Pb^2+}] = [\ce{I-}] = 5\cdot10^{-4}\) М, поэтому \(Q = 1{,}25\cdot10^{-10} < 9{,}8\cdot10^{-9}\). Осадок не образуется. Если вместо этого смешать равные объёмы 0,1 М растворов, получится \(Q = 1{,}25\cdot10^{-4}\) и выпадет жёлтый осадок. При охлаждении горячего раствора \(\ce{PbI2}\) раствор также пересыщается: соль выделяется в виде сверкающих золотых пластинок.

auto_awesomeПересыщение

Иногда осадок не появляется сразу даже при \(Q > K_s\), поскольку образование первых кристаллов затруднено. Если потереть стеклянной палочкой о стенку пробирки, царапины могут стать центрами кристаллизации, после чего осадок выпадает мгновенно. На кристаллизации пересыщенного раствора ацетата натрия основано и действие солевых грелок.

scienceОсаждение, растворение, пересыщение

\(\ce{Pb(NO3)2 + 2KI -> PbI2 v + 2KNO3}\) — при реакции образуется жёлтый осадок.
\(\ce{CaCl2 + (NH4)2C2O4 -> CaC2O4 v + 2NH4Cl}\) — при реакции образуется оксалат кальция, что позволяет определять кальций; из оксалата кальция также состоят многие камни в почках.
\(\ce{NaCH3COO*3H2O}\) — при кристаллизации пересыщенного раствора ацетата натрия выделяется тепло, которое используют в солевой грелке.

Что остаётся в растворе

Выпадение осадка не означает, что осаждаемый ион полностью исчезает из раствора. Когда осадитель взят в избытке, остаточную концентрацию этого иона находят из произведения растворимости и концентрации избытка осадителя. Сначала нужно учесть, что при смешении растворов изменяется их общий объём.

edit_noteХлорид серебра

Смешаем 50 мл 0,10 М раствора \(\ce{AgNO3}\) и 50 мл 0,12 М раствора \(\ce{NaCl}\). По стехиометрии осаждается практически 5,0 ммоль \(\ce{AgCl}\), а хлорид-ион остаётся в избытке: 1,0 ммоль в 100 мл раствора, то есть 0,010 М. Следовательно, остаточная концентрация ионов серебра равна \([\ce{Ag+}] = 1{,}8\cdot10^{-10}/0{,}010 = 1{,}8\cdot10^{-8}\) М. Это в сотни раз меньше концентрации ионов серебра в насыщенном растворе хлорида серебра в чистой воде.

Полнота осаждения показывает, насколько мало осаждаемого иона осталось в растворе. Осаждение считают практически полным, если его остаточная концентрация меньше \(10^{-6}\) моль/л. В гравиметрии ориентируются на массу: потери с раствором должны быть меньше точности весов, около 0,1 мг.

Чтобы определить концентрацию осадителя, при которой осаждение только начинается, ионное произведение приравнивают к произведению растворимости. Для соли с соотношением ионов один к одному пороговую концентрацию осадителя находят делением произведения растворимости на концентрацию осаждаемого иона. Для практически полного осаждения поступают наоборот: задают допустимую остаточную концентрацию осаждаемого иона и находят необходимую концентрацию осадителя.

boltПорядок расчёта остаточной концентрации

Сначала определите по стехиометрии осаждения, какой реагент и в каком количестве остался в избытке.
Затем рассчитайте концентрацию избытка, используя общий объём полученного раствора.
Найдите остаточную концентрацию осаждаемого иона из \(K_s\).
Проверьте, что найденная концентрация действительно мала по сравнению с исходной.

scienceГравиметрические определения

\(\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4 v}\) — при определении сульфатов полученный осадок прокаливают и взвешивают.
\(\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl v}\) — по осадку определяют хлориды; Теодор Ричардс использовал такие определения при уточнении атомных масс с точностью до пятого знака и получил Нобелевскую премию 1914 года.
\(\ce{Ni^2+ + 2H2Dm -> Ni(HDm)2 v + 2H+}\) — при реакции Чугаева образуется малиновый осадок диметилглиоксимата никеля.

Превращение осадков

Если к осадку добавить ионы, способные образовать другую малорастворимую соль, исходный осадок может превратиться в новый. Когда новый осадок менее растворим, такое превращение обычно протекает легче. Его константу равновесия находят как отношение произведений растворимости двух солей:

\[\ce{AgCl (тв) + I- <=> AgI (тв) + Cl-}\qquad K = \frac{[\ce{Cl-}]}{[\ce{I-}]} = \frac{K_s(\ce{AgCl})}{K_s(\ce{AgI})} = 2{,}2\cdot10^{6}\]

Большое значение константы объясняет, почему белый хлорид серебра при добавлении иодида калия мгновенно желтеет: образуется иодид серебра.

Превращение возможно и тогда, когда новый осадок более растворим: для этого константа реакции не должна быть слишком мала, а реагент берут в большом избытке. Например, сульфат бария не растворяется в кислотах. Чтобы затем растворить его в кислоте, в анализе сульфат сначала переводят в карбонат:

\[\ce{BaSO4 + CO3^2- <=> BaCO3 + SO4^2-}\qquad K = \frac{1{,}1\cdot10^{-10}}{5{,}1\cdot10^{-9}} = 0{,}022\]

Чтобы превращение шло в сторону карбоната, отношение \([\ce{CO3^2-}]/[\ce{SO4^2-}]\) должно быть больше 46. Поэтому осадок многократно кипятят с концентрированным раствором соды и каждый раз сливают раствор, удаляя сульфат-ионы. Полученный \(\ce{BaCO3}\) растворяют в кислоте.

scienceПревращения осадков

\(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 + Na2SO4}\) — при обработке гипсовой накипи котлов содой образуется карбонат кальция; \(K \approx 1{,}4\cdot10^{4}\), а полученный карбонат растворяют кислотой.
\(\ce{AgCl + KI -> AgI + KCl}\) — белый осадок хлорида серебра превращается в жёлтый осадок иодида серебра.
\(\ce{PbSO4 + H2S -> PbS + H2SO4}\) — при действии сероводорода сульфат свинца превращается в чёрный сульфид; свинцовые белила на старинных картинах также чернеют под действием сероводорода воздуха, но в них в сульфид переходит карбонат свинца.
\(\ce{PbS + 4H2O2 -> PbSO4 + 4H2O}\) — при обработке чёрного сульфида свинца пероксидом водорода реставраторы возвращают покрытию белизну.

push_pinГлавное

Чтобы предсказать выпадение осадка, сравнивают ионное произведение \(Q\), рассчитанное с учётом разбавления при смешении, с \(K_s\): осадок выпадает при \(Q > K_s\). Для соли с соотношением ионов один к одному начало осаждения определяют по условию \([\ce{A}] = K_s/[\ce{M}]\). Осаждение считают практически полным, когда остаточная концентрация меньше \(10^{-6}\) М; при избытке осадителя её рассчитывают из произведения растворимости, например \([\ce{Ag+}] = K_s/[\ce{Cl-}]_\text{изб}\). Превращение осадка \(\ce{MX + Y- <=> MY + X-}\) характеризует константа \(K = K_s(\ce{MX})/K_s(\ce{MY})\); на направление превращения влияет и концентрация добавленного реагента.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.