Proste rozpuszczanieEdytuj
Rozpuszczanie organicznej substancji stałej można opisać jako równowagę między substancją w postaci stałej i rozpuszczonej. Na przykład, gdy sacharoza (cukier stołowy) tworzy nasycony roztwór
C 12 H 22 O 11 (s) ⇋ C 12 H 22 O 11 (aq) {\ Displaystyle \ operatorname {C_ {12} H_ {22} O_ {11} (s) \ leftrightharpoons C_ {12} H_ {22} O_ {11}} (aq)}
Wyrażenie równowagi dla tej reakcji można zapisać, tak jak dla każdej reakcji chemicznej (produkty nad reagentami):
K ⊖ = {C 12 H 22 O 11 (aq)} {C 12 H 22 O 11 (s)} {\ Displaystyle K ^ {\ ominus} = {\ Frac {\ lewo \ {\ Mathrm { {C} _ {12} {H} _ {22} {O} _ {11} (aq)} \ right \}} {\ left \ {\ mathrm {{C} _ {12} {H} _ { 22} {O} _ {11} (s)} \ right \}}}}
gdzie Ko nazywa się stałą rozpuszczalności termodynamicznej. Szelki wskazują na aktywność. Aktywność czystego ciała stałego jest z definicji jednością. Dlatego
K ⊖ = {C 12 H 22 O 11 (aq)} {\ Displaystyle K ^ {\ ominus} = \ lewo \ {\ operatorname {{C} _ {12} {H} _ {22} {O} _ {11} (aq)} \ right \}}
Aktywność substancji A w roztworze można wyrazić jako iloczyn stężenia i współczynnika aktywności γ. Kiedy Ko jest podzielone przez γ, otrzymujemy stałą rozpuszczalności, Ks,
K s = {\ Displaystyle K _ {\ mathrm {s}} = \ lewo \,}
. Jest to równoważne zdefiniowaniu stanu standardowego jako roztworu nasyconego, tak aby współczynnik aktywności był równy jeden. Stała rozpuszczalności jest prawdziwą stałą tylko wtedy, gdy na współczynnik aktywności nie wpływa obecność jakichkolwiek innych substancji rozpuszczonych, które mogą być obecne. Jednostka stałej rozpuszczalności jest taka sama, jak jednostka stężenia substancji rozpuszczonej. Dla sacharozy K = 1,971 mol dm-3 w 25 ° C. Pokazuje to, że rozpuszczalność sacharozy w 25 ° C wynosi prawie 2 mol dm-3 (540 g / l). Sacharoza jest niezwykła, ponieważ nie tworzy łatwo przesyconego roztworu w wyższych stężeniach, jak większość innych węglowodanów.
Rozpuszczanie z dysocjacjąEdytuj
Związki jonowe normalnie dysocjują na składowe jony, gdy są rozpuścić w wodzie. Na przykład dla chlorku srebra:
A g C l (s) ⇋ A g (aq) + + C l (aq) – {\ Displaystyle \ Mathrm {AgCl _ {(s)}} \ leftrightharpoons \ mathrm { Ag _ {(aq)} ^ {+}} + \ mathrm {Cl _ {(aq)} ^ {-}}}
Wyrażenie na stałą równowagi dla tej reakcji to:
K ⊖ = {Ag + (aq)} {Cl – (aq)} {AgCl (s)} = {Ag + (aq)} {Cl – (aq)} {\ Displaystyle K ^ {\ ominus} = {\ Frac {\ lewo \ {{\ ce {Ag +}} _ {{\ ce {(aq)}}} \ right \} \ left \ {{\ ce {Cl -}} _ {{\ ce {(aq)}}} \ right \}} {\ left \ {{\ ce {AgCl _ {(s)}}} \ right \}}} = \ left \ {{\ ce {Ag +}} _ {{\ ce {(aq)}}} \ prawo \} \ lewo \ {{\ ce {Cl -}} _ {{\ ce {(aq)}}} \ prawo \}}
gdzie K ⊖ {\ displaystyle K ^ {\ ominus}} jest stała równowagi termodynamicznej i klamry wskazują aktywność. Aktywność czystej substancji stałej jest z definicji równa jeden.
Gdy rozpuszczalność soli jest bardzo niska, współczynniki aktywności jonów w roztworze są prawie równe jeden. Ustawiając je tak, aby były faktycznie równe jeden, to wyrażenie sprowadza się do wyrażenia iloczynu rozpuszczalności:
K sp = = 2 = 2. {\ Displaystyle K _ {{\ ce {sp}}} == ^ {2} = ^ {2}. \,}
Dla soli 2: 2 i 3: 3, takich jak CaSO4 i FePO4, wyrażenie ogólne dla iloczynu rozpuszczalności jest taka sama, jak dla elektrolitu 1: 1
AB ⇋ A p + + B p – {\ Displaystyle \ mathrm {AB} \ leftrightharpoons \ mathrm {A} ^ {p +} + \ mathrm { B} ^ {p-}} K sp = = 2 = 2 {\ Displaystyle K_ {sp} = \ mathrm {} = \ mathrm {^ {2}} = \ mathrm {^ {2}}} (ładunki elektryczne są pominięty w wyrażeniach ogólnych, dla uproszczenia zapisu)
W przypadku soli niesymetrycznej, takiej jak Ca (OH) 2, wyrażenie rozpuszczalności jest wyrażone wzorem
C a (OH) 2 ⇋ C a 2 + + 2 OH – {\ Displaystyle \ mathrm {Ca (OH) _ {2} \ leftrightharpoons {Ca} ^ {2 +} + 2OH ^ {-}}} K sp = 2 {\ displaystyle \ mathrm {K_ {sp} = ^ {2}} }
Ogólnie rzecz biorąc, w równowadze chemicznej
A p B q ⇋ p A n + + q B m – {\ Displaystyle \ Mathrm {A_ {p} B_ {q} \ leftrightharpoons p {A} ^ {n +} + q {B} ^ {m-}}} = qp {\ displaystyle \ mathrm {= {\ frac {q} {p}}}}
i poniższa tabela, przedstawiająca zależność między rozpuszczalnością związku i wartość iloczynu rozpuszczalności, można wyprowadzić.
Iloczyn rozpuszczalności często wyraża się w postaci logarytmicznej. Zatem dla siarczanu wapnia Ksp = 4,93 × 10-5, log Ksp = -4,32. Im mniejsza wartość lub im bardziej ujemna wartość logarytmu, tym niższa rozpuszczalność.
Niektóre sole nie są w pełni dysocjowane w roztworze. Przykłady obejmują MgSO4, znany z odkrytego przez Manfreda Eigena, że występuje w wodzie morskiej zarówno jako kompleks sfery wewnętrznej, jak i kompleks sfery zewnętrznej. Rozpuszczalność takich soli oblicza się metodą przedstawioną w przypadku rozpuszczania w reakcji.
HydroxidesEdit
Iloczyn rozpuszczalności dla wodorotlenku jonu metalu Mn + jest zwykle definiowany następująco:
M (OH) n ⇋ M n + + n OH – {\ Displaystyle \ mathrm {M (OH) _ {n} \ leftrightharpoons \ mathrm {M ^ {n +} + nOH ^ {-}}}} K sp = n {\ Displaystyle K_ {sp} = \ mathrm { ^ {n}}}
Jednak programy komputerowe ogólnego przeznaczenia są zaprojektowane tak, aby używać stężeń jonów wodorowych z alternatywnymi definicjami.
M (OH) n + n H + ⇋ M n + + n H 2 O {\ Displaystyle \ mathrm {M (OH) _ {n} + nH ^ {+} \ leftrightharpoons M ^ {n +} + nH_ {2} O}} K sp ∗ = – n {\ Displaystyle K_ {sp} ^ { *} = \ mathrm {^ {- n}}}
W przypadku wodorotlenków produkty rozpuszczalności często podaje się w zmodyfikowanej postaci K * sp, stosując stężenie jonów wodorowych zamiast stężenia jonów wodorotlenkowych. Te dwie wartości są powiązane przez stałą samojonizacji wody, Kw.
K w = {\ Displaystyle K_ {w} =} K sp ∗ = K sp (K w) n {\ Displaystyle K_ {sp} ^ {*} = {\ Frac {K_ {sp}} {(K_ {w}) ^ {n}}}} L g K sp ∗ = lg K sp – n L g K w {\ displaystyle LgK_ {sp} ^ {*} = lgK_ {sp} -nLgK_ {w}}
Na przykład w temperaturze otoczenia dla wodorotlenku wapnia Ca (OH) 2, lg Ksp wynosi ok. −5 i lg K * sp ≈ −5 + 2 × 14 ≈ 23.
Rozpuszczanie z reakcjąEdit
Gdy stężony roztwór amoniaku jest dodawany do zawiesiny chlorku srebra, rozpuszczanie następuje, ponieważ tworzy się kompleks Ag +
Typowa reakcja z rozpuszczaniem obejmuje słaba zasada, B, rozpuszczanie w kwaśnym roztworze wodnym.
B (s) + H + (aq) ⇋ BH + (aq) {\ Displaystyle \ operatorname {B} \ operatorname {(s)} + \ mathrm {H} ^ {+} \ mathrm {(aq)} \ leftrightharpoons \ mathrm {BH} ^ {+} (\ mathrm {aq)}}
Ta reakcja jest bardzo ważna w przypadku produktów farmaceutycznych. Podobnie ważne jest rozpuszczanie słabych kwasów w środowisku zasadowym.
HA (s) + OH – (aq) ⇋ A – (aq) + H 2 O {\ Displaystyle \ operatorname {HA (s) + OH ^ {-} (aq) \ leftrightharpoons A ^ {-} (aq) + H_ {2} O}}
Nienaładowana cząsteczka ma zwykle mniejszą rozpuszczalność niż forma jonowa, więc rozpuszczalność zależy od pH i stałej dysocjacji kwasu. Termin „rozpuszczalność samoistna” jest używany do opisania rozpuszczalności niezjonizowanej postaci pod nieobecność kwasu lub zasady.
Wypłukiwanie soli glinu ze skał i gleby przez kwaśne deszcze jest kolejnym przykładem rozpuszczania reakcja: glinokrzemiany to zasady, które reagują z kwasem, tworząc rozpuszczalne związki, takie jak Al3 + (aq).
Tworzenie kompleksu chemicznego może również zmieniać rozpuszczalność. Dobrze znanym przykładem jest dodanie stężonego roztworu amoniaku do zawiesiny chlorku srebra, w którym rozpuszczeniu sprzyja tworzenie kompleksu aminowego.
A g C l (s) + 2 NH 3 (aq) ⇋ + (aq) + C l – (aq) {\ Displaystyle \ operatorname {AgCl (s) + 2NH_ {3} (aq) \ leftrightharpoons ^ {+} (aq) + Cl ^ {-} (aq) )}}
Po dodaniu odpowiedniej ilości amoniaku do zawiesiny chlorku srebra substancja stała się rozpuszcza. Dodatek zmiękczaczy wody do proszków do prania w celu zahamowania tworzenia się osadu mydlanego stanowi przykład o praktycznym znaczeniu.