Ελάχιστα διαλυτά άλατα

Όταν ένα αλάτι που είναι ελάχιστα διαλυτό εισάγεται στο νερό, μόνο ένα μικρό μέρος του άλατος διαλύεται στο νερό, σχηματίζοντας ένα διάλυμα. Η ισορροπία μεταξύ του ελάχιστα διαλυτού άλατος και των ιόντων που είναι διαλυμένα στο νερό προσδιορίζεται από το προϊόν διαλυτότητας, Ksp.

Ξεκινάμε τη μελέτη μας για τις ισορροπίες διαλυτότητας και συμπλοκοποίησης, που σχετίζονται με την παραγωγή σύνθετων ιόντων, δημιουργώντας ποσοτικές μεθόδους για τη μοντελοποίηση των αντιδράσεων διάλυσης και κατακρήμνισης ιοντικών ενώσεων σε υδατικό διάλυμα. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια έκφραση σταθεράς ισορροπίας για να αναπαραστήσουμε τις συγκεντρώσεις ιόντων σε ισορροπία με ένα ιοντικό στερεό, όπως ακριβώς κάνουμε με τις ισορροπίες οξέος-βάσης.

Προϊόν διαλυτότητας (Ksp )

Η σταθερά προϊόντος διαλυτότητας είναι η σταθερά ισορροπίας για τη διάλυση μιας στερεής ουσίας σε υδατικό διάλυμα. Το σύμβολο Ksp χρησιμοποιείται για να το αναπαραστήσει.

Το προϊόν διαλυτότητας είναι μια σταθερά ισορροπίας της οποίας η τιμή ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Λόγω της αυξανόμενης διαλυτότητας, το Ksp συνήθως αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.

Η ικανότητα ενός υλικού που ονομάζεται διαλυμένη ουσία να διαλύεται σε έναν διαλύτη και να δημιουργεί ένα διάλυμα ορίζεται ως διαλυτότητα. Οι ιοντικές χημικές ουσίες (που διασπώνται για να σχηματίσουν κατιόντα και ανιόντα) έχουν μεγάλο εύρος διαλυτότητας στο νερό. Ορισμένες ουσίες είναι εξαιρετικά διαλυτές και μπορούν ακόμη και να απορροφήσουν την υγρασία από τον αέρα, ενώ άλλες είναι αρκετά αδιάλυτες.

Τα προϊόντα διαλυτότητας για επιλεγμένες ιοντικές ουσίες στους 25°C είναι τα εξής:–

Σημασία του προϊόντος διαλυτότητας

Η διαλυτότητα καθορίζεται από διάφορους παράγοντες, οι σημαντικότεροι από τους οποίους είναι η ενθαλπία του πλέγματος του άλατος και η ενθαλπία διαλυτοποίησης των ιόντων στο διάλυμα.

Σταθερά προϊόντος διαλυτότητας Ksp

Τα περισσότερα άλατα διασπώνται σε ιόντα όταν διαλύονται.

Για παράδειγμα:–

BaSO4(s) ⇋ Ba2+(aq)+SO42-(aq)

Το σύστημα ισορροπίας μπορεί να περιγραφεί με την έκφραση μαζικής δράσης

Όταν ένα άλας διαλύεται σε έναν διαλύτη, οι ισχυρές δυνάμεις έλξης της διαλυμένης ουσίας πρέπει να αντιμετωπιστούν από αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων και διαλύτη (δικτυωτή ενθαλπία των ιόντων της).
Η ενθαλπία διαλυτοποίησης των ιόντων είναι πάντα αρνητική, υποδεικνύοντας ότι απελευθερώνεται ενέργεια σε όλη τη διαδικασία.
Η ενθαλπία διαλυτοποίησης ή η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της διαλυτοποίησης, προσδιορίζεται από τη σύνθεση του διαλύτη.
Οι μη πολικοί διαλύτες έχουν χαμηλή ενθαλπία διαλυτότητας, πράγμα που σημαίνει ότι αυτή η ενέργεια είναι ανεπαρκής για να ξεπεράσει την ενθαλπία πλέγματος.
Σαν αποτέλεσμα, οι μη πολικοί διαλύτες δεν διαλύουν τα άλατα. Ως αποτέλεσμα, η ενθαλπία διαλυτοποίησης ενός άλατος πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ενθαλπία του πλέγματος για να διαλυθεί σε έναν διαλύτη.
Η θερμοκρασία επηρεάζει τη διαλυτότητα, η οποία ποικίλλει ανάλογα με το αλάτι.

Στον παρακάτω πίνακα, τα άλατα κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη διαλυτότητά τους.

Κατηγορία I	Διαλυτό	Διαλυτότητα> 0,1 M
Κατηγορία II	Ελαφρώς διαλυτό	0,01M<Διαλυτότητα<0,1M
Κατηγορία III	Ελάχιστα διαλυτό	Διαλυτότητα <0,1 M

Σταθερά προϊόντος διαλυτότητας

Ας υποθέσουμε ότι έχετε θειικό βάριο και το κορεσμένο υδατικό του διάλυμα. Η ισορροπία μεταξύ αδιάλυτων στερεών και ιόντων αντιπροσωπεύεται από την ακόλουθη εξίσωση:

BaSO4⇌κορεσμένο διάλυμα σε νερόBa2+(aq)+SO4−(aq)

Στο παραπάνω παράδειγμα, η σταθερά ισορροπίας είναι:

K = [Ba2+][SO4−][BaSO4]

Επειδή η συγκέντρωση των καθαρών στερεών ουσιών παραμένει σταθερή, μπορούμε να πούμε

Το Ksp ισούται με K

Ksp = K[BaSO4] = [Ba2+][SO4−]

Η σταθερά προϊόντος διαλυτότητας, Ksp, χρησιμοποιείται εδώ. Αυτό σημαίνει επίσης ότι όταν το στερεό θειικό βάριο βρίσκεται σε ισορροπία με το κορεσμένο του διάλυμα, το προϊόν των συγκεντρώσεων βαρίου και θειικών ιόντων ισούται με τη σταθερά του προϊόντος διαλυτότητας.

Το προϊόν ιόντων (Q)

Το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων στο διάλυμα αυξημένο στις ίδιες δυνάμεις όπως στη δήλωση προϊόντος διαλυτότητας είναι το ιόν προϊόν ενός άλατος. Είναι παρόμοιο με το πηλίκο αντίδρασης (Q) που εξηγήθηκε προηγουμένως για τις αέριες ισορροπίες. Το προϊόν ιόντων αντιπροσωπεύει συγκεντρώσεις που δεν είναι απαραίτητα συγκεντρώσεις ισορροπίας, ενώ το Ksp περιγράφει συγκεντρώσεις ισορροπίας.

Για αέριες ισορροπίες, το προϊόν ιόντων Q είναι συγκρίσιμο με το πηλίκο αντίδρασης Q.

Ένα υδατικό διάλυμα μιας ιοντικής ουσίας μπορεί να έχει τρεις διαφορετικές συνθήκες:

Το Q και το Ksp έχουν σχέση. Το διάλυμα είναι ακόρεστο εάν το Q είναι μικρότερο από Ksp και επιπλέον στερεό θα διαλυθεί έως ότου το σύστημα φτάσει σε ισορροπία (Q =Ksp). Εάν το Q υπερβαίνει το Ksp, το διάλυμα είναι υπερκορεσμένο και θα σχηματιστούν στερεά έως ότου το Q ισούται με Ksp. Όταν Q =Ksp, ο ρυθμός διάλυσης ισούται με τον ρυθμό καθίζησης. το διάλυμα είναι κορεσμένο και δεν θα υπάρξει καθαρή αλλαγή στην ποσότητα του διαλυμένου υλικού.

Ο υπολογισμός της τιμής του προϊόντος ιόντων και η σύγκρισή του με το μέγεθος του προϊόντος διαλυτότητας είναι μια απλή τεχνική για να καταλάβουμε εάν ένα διάλυμα είναι ακόρεστο, κορεσμένο ή υπερκορεσμένο. Το πιο σημαντικό είναι ότι όταν συνδυάζονται δύο διαλύματα διαλυτών αλάτων, το προϊόν ιόντων ενημερώνει τους επιστήμονες εάν θα σχηματιστεί ίζημα.

Η κοινή επίδραση και διαλυτότητα ιόντων

Οι συγκεντρώσεις ισορροπίας του κατιόντος και του ανιόντος συνδέονται αντιστρόφως, σύμφωνα με την έκφραση του προϊόντος διαλυτότητας. Δηλαδή, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του ανιόντος, η μέγιστη συγκέντρωση κατιόντων που απαιτείται για την κατακρήμνιση μειώνεται - και αντίστροφα - έτσι ώστε το Ksp να παραμένει σταθερό. Ως αποτέλεσμα, η διαλυτότητα μιας ιοντικής ένωσης υπαγορεύεται από την ποσότητα άλλων αλάτων που έχουν τα ίδια ιόντα. Μια ισορροπία διαλυτότητας μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση που υποδεικνύεται από την αρχή του Le Chatelier όταν προστίθεται ένα κοινό κατιόν ή ανιόν.

Συμπέρασμα

Το προϊόν διαλυτότητας (Ksp) χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων ιόντων ισορροπίας στο διάλυμα, ενώ το προϊόν ιόντων (Q) χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό συγκεντρώσεων που δεν είναι πάντα σε ισορροπία. Το προϊόν διαλυτότητας (Ksp), η σταθερά ισορροπίας για μια αντίδραση διάλυσης, είναι ένα μέτρο της διαλυτότητας μιας ένωσης. Το Ksp περιγράφεται ως προς τις μοριακές συγκεντρώσεις των συστατικών ιόντων, ενώ η διαλυτότητα συνήθως αντιπροσωπεύεται ως προς τη μάζα της διαλυμένης ουσίας ανά 100 mL διαλύτη. Το προϊόν ιόντων (Q), από την άλλη πλευρά, περιγράφει συγκεντρώσεις που δεν είναι απαραίτητα ισορροπημένες. Όταν αναμιγνύονται δύο διαλύματα διαλυτών αλάτων, μπορούμε να καθορίσουμε εάν θα αναπτυχθεί ίζημα συγκρίνοντας το Q και το Ksp. Σε ένα διάλυμα ενός ελάχιστα διαλυτού άλατος, η προσθήκη ενός κοινού κατιόντος ή ενός κοινού ανιόντος επηρεάζει την ισορροπία διαλυτότητας προς την κατεύθυνση που προβλέπεται από την αρχή του Le Chatelier. Όταν υπάρχει ένα κοινό ιόν, η διαλυτότητα του άλατος σχεδόν πάντα μειώνεται.