Равновесие в системе осадок – раствор электролита

В процессе растворения труднорастворимого электролита в момент насыщения раствора устанавливается равновесие в гетерогенной системе осадок – раствор электролита. При этом скорость растворения будет равна скорости осаждения, а DG_р-ния=0. Так как растворимость электролита мала, можно считать, что в растворе происходит полная диссоциация и равновесие устанавливается между осадком и его ионами в растворе. Для труднорастворимого электролита А_mB_n:

А_mB_n(т) = mAⁿ⁺ _(р-р) + nB^m-_(р-р)

Согласно закону действия масс для данной гетерогенной системы константа равновесия имеет вид:

ПР = [Aⁿ⁺]^mž[B^m-]ⁿ

Для насыщенного раствора труднорастворимого электролита произведение равновесных молярных концентраций его ионов в степенях их стехиометрических коэффициенто при данной температуре есть величина постоянная и называется произведением растворимости (ПР).

Например:

BaSO_4(т) = Ba²⁺_(р-р) + SO₄^2-_(р-р)

ПР = [Ba²⁺][ SO₄^2-]

Ca₃(PO₄)_2(т) = 3Сa²⁺ + 2PO₄^3-

ПР = [Сa²⁺]³[PO₄^3-]²

Значение ПР позволяет рассчитать растворимость электролита и концентрацию его ионов в насыщенном растворе.

Если растворимость электролита А_mB_n равна x моль/л, то в его насыщенном растворе

[Aⁿ⁺] = mx [B^m-] = nx

Тогда

ПР = [Aⁿ⁺]^mž[B^m-]ⁿ = (mx)^mž(nx)ⁿ = m^mžnⁿžx^m+n

x = -

Пример: Образование костной ткани происходит в результате осаждения труднорастворимого гидроксилапатита Ca₅(PO₄)₃OH. Рассчитайте растворимость гидроксилапатита в воде (ПР = 1,6ž10^-58).

Ca₅(PO₄)₃OH_(т) = 5Ca²⁺ + 3PO₄^3- + OH^-

ПР = [Ca²⁺]⁵[PO₄^3-]³[OH^-]

ПР = (5x)⁵ž(3x)³žx = 83375žx⁹

x =

К равновесию в системе осадок – раствор электролита применим принцип Ле Шателье. Введение в раствор ионов, одноименных с ионами осадка смешается равновесие в сторону процесса осаждения и снижает растворимость.

Пример: Рассчитайте растворимость фторида кальция в дистиллированной воде и в жесткой воде с концентрацией ионов Ca²⁺, равной 0,03 моль/л. Достигается ли в жесткой воде нормальная концентрация ионов F^-, равная 1 мг/л (5,3ž10^-5моль/л), необходимая для формирования основного вещества зубной эмали фторапатита Ca₅(PO₄)₃F?

CaF_2(т) = Ca²⁺_(р-р) + 2F^-_(р-р)

ПР = [Ca²⁺][F^-]² = xž(2x)² = 4x³

x = - растворимость фторида кальция в воде.

В жесткой воде [Ca²⁺] = y + 0,03» 0,03, т.к. y<<0,03

[F^-] = 2y

ПР = 0,03ž4y² = 0,12 y²

y = -растворимость CaF₂ в жесткой воде.

[F^-] = 2y = 3,65ž10^-5 моль/л < 5,3ž10^-5моль/л

Таким образом, в жесткой воде невозможно достижение нормальной концентрации фторид-ионов, необходимой для формирования зубной эмали.

Уменьшение концентрации одноименных ионов в растворе над осадком за счет их связывания в слабый электролит или другое труднорастворимое соединение в соответствии с принципом Ле Шателье смешает равновесие в сторону процесса растворения и увеличивает растворимость.

Пример: Токсическое действие ионов стронция обусловлено их способностью замещать ионы кальция в основном веществе костной ткани, что приводит к повышенной ломкости костей (стронциевый рахит). При какой наименьшей концентрации ионов стронция в растворе возможно превращение осадка Ca₃(PO₄)₂ в осадок Sr₃(PO₄)₂? ()

Рассчитаем концентрацию фосфат-ионов в насыщенном растворе фосфата кальция:

Ca₃(PO₄)_2(т) = 3Сa²⁺ + 2PO₄^3-

ПР = [Сa²⁺]³[PO₄^3-]² = (3x)³ž(2x)² = 108x⁵

x =

[PO₄^3-] = 2x = 1,43ž10^-6 моль/л

Рассчитаем минимальную концентрацию ионов стронция, необходимую для осаждения фосфат-ионов из насыщенного раствора фосфата кальция в виде фосфата стронция:

ПР = [Sr²⁺]³[PO₄^3-]²

[Sr²⁺] =