"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Произведение растворимости показывает, какие концентрации ионов устанавливаются в насыщенном растворе малорастворимой соли при данной температуре. Эта величина помогает рассчитывать растворимость, сравнивать состояние раствора с равновесием и предсказывать, выпадет ли осадок при смешивании растворов. Главное — правильно составить выражение по уравнению растворения, учесть коэффициенты и сравнить ионное произведение с Ksp.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Малорастворимый электролит — вещество, часть которого растворяется в воде с образованием насыщенного раствора, находящегося в равновесии с твёрдой фазой. Это значит, что растворение не обязательно прекращается: частицы продолжают переходить между кристаллом и раствором. Понятие нужно, чтобы описывать системы, где одновременно присутствуют растворённые ионы и твёрдое вещество.
Произведение растворимости — константа равновесия растворения малорастворимого электролита. При заданной температуре она равна произведению равновесных концентраций ионов, возведённых в степени, соответствующие коэффициентам в уравнении диссоциации. Обозначение Ksp используют для расчёта растворимости и оценки состояния насыщенного раствора.
Ионное произведение — произведение концентраций ионов в растворе, возведённых в степени, соответствующие коэффициентам в уравнении диссоциации. В отличие от Ksp, оно рассчитывается для фактического состава раствора и может быть меньше или больше константы. Сопоставление этих величин помогает определить, возможно ли образование осадка.
Молярная растворимость — количество вещества, которое растворяется в одном литре раствора до насыщения. Её обычно обозначают s и выражают в моль/л. Через s можно выразить концентрации ионов, а затем связать растворимость соли с её Ksp.
При растворении малорастворимой соли частицы покидают кристалл и переходят в раствор, но растворённые ионы могут возвращаться в кристаллическую решётку. Поэтому устанавливается динамическое равновесие: оба процесса продолжаются, хотя количество вещества в каждой фазе уже не меняется заметно. Равновесное описание позволяет выразить связь между концентрациями ионов и твёрдой солью не как случайное наблюдение, а как закономерность.
Для соли состава MₘAₙ уравнение растворения записывают так: MₘAₙ(тв.) ⇌ mMⁿ⁺ + nAᵐ⁻. Коэффициенты m и n показывают, сколько ионов каждого вида образуется из одной формульной единицы соли, поэтому они же становятся степенями в выражении Ksp = [Mⁿ⁺]ᵐ[Aᵐ⁻]ⁿ. Твёрдую соль в формулу не включают: количество чистой твёрдой фазы не меняет её активность, а её вклад уже входит в константу равновесия.
Ksp характеризует равновесие растворения конкретного вещества при определённой температуре, поскольку температура влияет на положение равновесия. Однако по одной величине Ksp не всегда можно напрямую понять, какая из двух солей растворяется лучше. Например, для солей с разным числом ионов выражения содержат разные степени концентраций, поэтому нужно сначала связать Ksp с растворимостью каждой соли.
Для такой связи обозначают молярную растворимость через s и выражают через неё концентрации образующихся ионов. У AgCl из одной формульной единицы получаются Ag⁺ и Cl⁻, значит, их концентрации равны s и Ksp = s². У PbI₂ получаются один Pb²⁺ и два I⁻, поэтому [Pb²⁺] = s, [I⁻] = 2s, а Ksp = s(2s)² = 4s³; коэффициент перед иодид-ионом нельзя терять.
Для раствора с произвольными концентрациями рассчитывают ионное произведение Q по той же форме, что и Ksp, но подставляют текущие значения концентраций. Если Q < Ksp, ионов недостаточно для насыщения и осадок не образуется; при Q = Ksp установлено насыщение. Если Q > Ksp, раствор пересыщен, поэтому возможно выпадение осадка, после чего концентрации ионов изменятся до восстановления равновесия.
| Характеристика | Произведение растворимости Ksp | Ионное произведение Q |
|---|---|---|
| Как рассчитывают | Перемножают равновесные концентрации ионов, возведённые в степени по коэффициентам уравнения растворения. | Перемножают фактические концентрации ионов в растворе в тех же степенях. |
| Относится к равновесному насыщенному раствору | Да, задаёт условие равновесия насыщенного раствора с твёрдой фазой. | Не обязательно: рассчитывается и для ненасыщенного или пересыщенного раствора. |
| Зависимость от концентраций в растворе | Для заданной температуры имеет постоянное значение в равновесии. | Меняется при изменении концентраций ионов, например при смешивании растворов. |
| Сравнение с Ksp и вывод | Служит величиной, с которой сравнивают Q. | Q < Ksp — раствор ненасыщенный; Q = Ksp — насыщенный; Q > Ksp — осадок может образоваться. |
| Пример для соли состава MₘAₙ | Ksp = [Mⁿ⁺]ᵐ[Aᵐ⁻]ⁿ в насыщенном растворе. | Q = [Mⁿ⁺]ᵐ[Aᵐ⁻]ⁿ при фактических концентрациях. |
Пользуйтесь таблицей так: сначала запишите уравнение растворения и формулу произведения для нужной соли, затем подставьте либо равновесные, либо текущие концентрации. При прогнозе осадка сравнивают именно Q с Ksp, а не две произвольно выбранные концентрации. Для расчёта растворимости концентрации ионов предварительно выражают через s.
Для AgCl при заданной температуре Ksp = 1,8·10⁻¹⁰. Требуется найти молярную растворимость соли в чистой воде. При растворении одной формульной единицы образуются по одному иону Ag⁺ и Cl⁻, поэтому обе концентрации связаны с растворимостью одинаково. Обозначим растворимость через s.
Одинаковые концентрации ионов здесь следуют из соотношения 1:1 в уравнении растворения. Ответ: молярная растворимость AgCl составляет примерно 1,34·10⁻⁵ моль/л. Полученное значение — концентрация растворившейся соли в насыщенном растворе, а не произведение концентраций.
Для PbI₂ задано Ksp = 8,0·10⁻⁹, нужно рассчитать растворимость в чистой воде. Здесь при растворении возникают один катион Pb²⁺ и два аниона I⁻. Поэтому концентрацию иодид-ионов нельзя приравнивать к s: она вдвое больше.
Квадрат концентрации I⁻ появляется из коэффициента 2 перед этим ионом, а множитель 4 — из возведения 2s в квадрат. Ответ: молярная растворимость PbI₂ составляет примерно 1,26·10⁻³ моль/л. Проверка записи помогает не перепутать стехиометрический коэффициент с показателем степени.
Смешали равные объёмы растворов AgNO₃ и NaCl с концентрациями по 2,0·10⁻⁴ моль/л; Ksp(AgCl) = 1,8·10⁻¹⁰. Чтобы узнать, образуется ли осадок, нужно определить концентрации Ag⁺ и Cl⁻ уже после смешивания. Каждый исходный раствор разбавляется вдвое, потому что его объём становится половиной общего объёма.
Поскольку ионное произведение превышает произведение растворимости, раствор пересыщен относительно AgCl и образование осадка возможно. Ответ: осадок AgCl образуется. В расчёте важно сначала учесть разбавление, иначе сравнение Q и Ksp будет выполнено для неверных концентраций.
В выражение Ksp иногда включают концентрацию твёрдой соли, поскольку её видят в уравнении растворения. Но твёрдая фаза не является раствором, и её активность постоянна, поэтому в формуле остаются только растворённые ионы. Проверьте себя: если среди множителей есть твёрдая соль, удалите её и оставьте концентрации частиц в растворе.
Другая ошибка — выбирать степени концентраций по зарядам ионов или записывать их без учёта коэффициентов. Степени берутся из коэффициентов именно в уравнении растворения, так как они показывают соотношение образующихся ионов. Для проверки сравните формулу Ksp с уравнением: каждому коэффициенту перед ионом должна соответствовать такая же степень его концентрации.
При расчёте растворимости соли с несколькими одинаковыми ионами часто считают концентрацию каждого иона равной s. Например, в PbI₂ образуются два I⁻ на одну формульную единицу, поэтому [I⁻] = 2s. Чтобы не ошибиться, сначала запишите уравнение и только потом выражайте концентрации через растворимость.
Если Q > Ksp, это не означает, что весь растворённый осадок обязательно выпадет. Такое сравнение показывает возможность образования твёрдой фазы; часть ионов останется в растворе после установления равновесия. Проверьте вывод: формулируйте его как «осадок может образоваться», а не как утверждение о полном осаждении.
Для работы с произведением растворимости нужны знания об уравнениях диссоциации электролитов, концентрации растворов и выражениях констант равновесия. Понятие связано с химическим равновесием и обычными расчётами концентраций ионов: именно через них составляют Ksp и Q. Сравнение Q и Ksp используют для прогноза осаждения, качественного анализа и выбора условий разделения веществ.
Почему концентрацию твёрдой соли не включают в выражение произведения растворимости?
В насыщенном растворе твёрдая соль присутствует как отдельная фаза, а её активность постоянна. Поэтому её влияние уже учтено в константе равновесия, и в выражении остаются только концентрации растворённых ионов.
Можно ли по большей величине Ksp определить, какая соль лучше растворяется?
Не всегда: в выражениях для солей с разным соотношением ионов концентрации возводятся в разные степени. Чтобы сравнить растворимость, нужно учесть формулы солей и связать Ksp с молярной растворимостью каждой из них.
Как найти растворимость соли, если в её формуле несколько одинаковых ионов?
Нужно записать уравнение растворения и выразить концентрацию каждого иона через молярную растворимость s с учётом коэффициента перед ним. Например, для PbI₂ концентрации равны [Pb²⁺] = s и [I⁻] = 2s.
Что произойдёт, если ионное произведение больше произведения растворимости?
Раствор пересыщен относительно данного вещества, поэтому возможно образование осадка. Он будет выпадать до тех пор, пока концентрации ионов не изменятся и не установится равновесие; это не означает, что осадится всё вещество.
Почему при смешивании растворов нужно учитывать изменение концентраций из-за разбавления?
При смешивании увеличивается общий объём, а количество каждого иона остаётся прежним. Поэтому концентрации после смешивания становятся меньше; если не пересчитать их, ионное произведение получится неверным.
§ 29. Произведение растворимости
