Осаждение и кислотность среды

8 заданий

Когда анион — основание

Зубная эмаль — гидроксиапатит \(\ce{Ca5(PO4)3OH}\) — нерастворима в воде, но разрушается, если во рту долго держится кислая среда. Причина та же, по которой мел растворяется в уксусе: анионы соли — основания, и протоны их «уводят».

Возьмём фторид кальция. Фторид-ион частично протонируется: \(\ce{F- + H+ <=> HF}\). Фтор, пришедший из осадка, распределяется между \(\ce{F-}\) и \(\ce{HF}\), и в \(K_s\) входит только свободный \(\ce{F-}\):

\[[\ce{F-}] = \frac{2s}{1 + [\ce{H+}]/K_a}, \qquad K_s = s\,[\ce{F-}]^2 \quad\Rightarrow\quad s = \sqrt[3]{\frac{K_s}{4}\left(1 + \frac{[\ce{H+}]}{K_a}\right)^2}.\]

При pH 2 множитель \(1 + [\ce{H+}]/K_a = 15{,}7\), и растворимость вырастает в шесть раз.

infoКогда кислота не помогает

Соли сильных кислот (\(\ce{AgCl}\), \(\ce{BaSO4}\)) в кислотах не растворяются: их анионы практически не протонируются.

infoЗачем фтор в зубной пасте

Фторид-ион замещает гидроксид в эмали и образует фторапатит \(\ce{Ca5(PO4)3F}\). \(\ce{F-}\) — гораздо более слабое основание, чем \(\ce{OH-}\) (у \(\ce{HF}\) \(\mathrm{p}K_a = 3{,}2\), у воды — 14), поэтому фторапатит намного хуже растворяется в кислоте, которую выделяют бактерии зубного налёта.

Осаждение гидроксидов

Гидроксиды металлов осаждаются, когда \([\ce{M^{n+}}][\ce{OH-}]^n\) достигает \(K_s\). Отсюда pH начала осаждения из раствора с концентрацией \(c\):

\[[\ce{OH-}] = \sqrt[n]{\frac{K_s}{c}}, \qquad \mathrm{pH} = 14 + \lg[\ce{OH-}].\]

Осаждение считают полным, когда в растворе осталось меньше \(10^{-6}\) моль/л металла (так принято в анализе).

Концентрация ионов металла над осадком гидроксида при разном pH: чем ниже линия, тем раньше осаждается гидроксид; Fe(OH)3 осаждается нацело ещё в кислой среде — Концентрация ионов металла над осадком гидроксида при разном pH: чем ниже линия, тем раньше осаждается гидроксид; \(\ce{Fe(OH)3}\) осаждается нацело ещё в кислой среде

Для многозарядных ионов наклон линии круче: концентрация \(\ce{Fe^3+}\) падает в 1000 раз на единицу pH, \(\ce{Mg^2+}\) — в 100.

Разделение ионов по pH

Если pH полного осаждения одного гидроксида ниже pH начала осаждения другого, их можно разделить. Из смеси \(\ce{Fe^3+}\) и \(\ce{Cu^2+}\) (по 0,010 моль/л) железо осаждается нацело к pH 3,2, а медь начинает осаждаться лишь при pH 5,2. Поддерживая pH около 4 ацетатным буфером, осаждают только железо.

errorpH надо держать

Если приливать щёлочь без буфера, в месте падения капли pH локально взлетает, и медь соосаждается. Буфер держит pH везде одинаковым.

push_pinГлавное

Соль слабой кислоты растворимее в кислой среде: протоны связывают анион, и равновесие растворения сдвигается. Гидроксид металла начинает осаждаться при \([\ce{OH-}] = \sqrt[n]{K_s/c}\); осаждение считают полным, когда в растворе остаётся меньше \(10^{-6}\) моль/л металла. Разница в pH осаждения разных гидроксидов позволяет разделять ионы, поддерживая pH буфером.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.