Константа растворимости

Константа растворимости

Понятие константы растворимости Константа растворимости (K_sp) — это термодинамическая величина, характеризующая предельную растворимость мало растворимых соединений в воде при данной температуре. Она определяется как произведение концентраций ионов в насыщенном растворе, каждое из которых возводится в степень, равную его стехиометрическому коэффициенту в уравнении диссоциации.

Для общего соли A_mB_n, которая диссоциирует по реакции:

A_mB_n(s) ⇌ mAⁿ⁺(aq) + nB^m−(aq)

константа растворимости выражается формулой:

K_sp = [Aⁿ⁺]^m[B^m−]ⁿ

где [Aⁿ⁺] и [B^m−] — равновесные концентрации ионов в насыщенном растворе.

Факторы, влияющие на растворимость

1. Температура — большинство твердых веществ растворяются лучше при повышении температуры, однако существуют исключения, например, соли, для которых растворение экзотермическое.
2. Присутствие общих ионов — добавление иона, уже присутствующего в растворе, снижает растворимость соединения за счет эффекта общего иона (эффект Ле-Шателье).
3. pH среды — растворимость слабых кислот и оснований сильно зависит от кислотности раствора. Например, соли слабых кислот растворяются лучше в кислой среде, так как ионная форма подвергается обратной реакции с протонами.
4. Комплексообразование — образование устойчивых комплексов с ионами растворенного вещества может значительно увеличивать растворимость мало растворимых солей.

Расчёт растворимости через K_sp Для однокомпонентной соли типа AB, диссоциирующей по уравнению:

AB(s) ⇌ A⁺ + B⁻

если обозначить растворимость через s (моль/л), то [A⁺] = [B⁻] = s и:

$$ K_{sp} = s^2 \quad \Rightarrow \quad s = \sqrt{K_{sp}} $$

Для соли A₂B₃, диссоциирующей как:

A₂B₃(s) ⇌ 2A³⁺ + 3B²⁻

константа растворимости выражается через растворимость s следующим образом:

K_sp = [A³⁺]²[B²⁻]³ = (2s)²(3s)³ = 4 ⋅ 27 ⋅ s⁵ = 108s⁵

откуда

$$ s = \sqrt[5]{\frac{K_{sp}}{108}} $$

Влияние общих ионов на растворимость Эффект общего иона проявляется при добавлении в раствор иона, который уже присутствует в равновесии. Для соли AgCl, диссоциирующей как:

AgCl ⇌ Ag⁺ + Cl⁻

если в раствор добавлен NaCl, концентрация [Cl⁻] увеличивается до c₀ + s, где c₀ — концентрация иона из внешнего источника, а s — собственная растворимость AgCl. Тогда равновесие описывается уравнением:

K_sp = [Ag⁺][Cl⁻] = [Ag⁺](c₀ + [Ag⁺])

В условиях малой растворимости s ≪ c₀, упрощённо:

$$ [Ag^+] \approx \frac{K_{sp}}{c_0} $$

что показывает значительное уменьшение растворимости соли при наличии общего иона.

Роль pH в растворимости слабых кислот и оснований Соли слабых кислот (например, карбонаты, ацетаты) проявляют повышенную растворимость в кислой среде, поскольку ионная форма подвергается обратной реакции с протонами:

A⁻ + H⁺ ⇌ HA

Удаление ионов A⁻ из раствора смещает равновесие растворения соли вправо, увеличивая растворимость. Аналогично, соли слабых оснований лучше растворяются в щелочной среде, где B⁺ + OH⁻ ⇌ BOH.

Температурная зависимость K_sp Зависимость константы растворимости от температуры описывается уравнением Вант-Гоффа для экзотермических и эндотермических процессов:

$$ \ln \frac{K_{sp2}}{K_{sp1}} = -\frac{\Delta H}{R} \left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right) $$

где ΔH — энтальпия растворения, R — универсальная газовая постоянная, T₁ и T₂ — температуры в Кельвинах.

Практическое применение K_sp

1. Осаждение и очистка веществ — подбор условий растворимости позволяет управлять процессом выделения осадка, например, в аналитической химии при титровании и разделении ионов.
2. Контроль содержания ионов в растворе — расчет предельной растворимости используется для предсказания концентраций ионов в насыщенных растворах и при образовании минералов.
3. Стабилизация растворов — понимание факторов растворимости необходимо при разработке буферных систем и растворов с заданной концентрацией мало растворимых веществ.

Выводы о характере соединений и их K_sp Мало растворимые соли обладают K_sp в диапазоне от 10⁻³ до 10⁻⁵⁰, причем меньшие значения соответствуют более низкой растворимости. Анализ K_sp позволяет оценить вероятность осаждения и образование устойчивых комплексных соединений. Различие в K_sp между солями с одинаковыми ионами может быть использовано для селективного осаждения в аналитических методах.