Факторов на полноту осаждения осадков и их растворение
Гетерогенные равновесия в аналитической химии. Способы выражения
Растворимости малорастворимых электролитов. Произведение
Растворимости малорастворимого сильного электролита. Условие
Образования осадков малорастворимых сильных электролитов. Дробное
Осаждение и дробное растворение осадков. Перевод одних
Малорастворимых электролитов в другие. Влияние посторонних
Электролитов на растворимость малорастворимых сильных электролитов(влияние добавок электролита с одноименным ионом, влияние добавок
Постороннего (индифферентного) электролита). Влияние различных
факторов на полноту осаждения осадков и их растворение.
----------------Гетерогенные равновесия в аналитической химии (в аналитике)------------------------------------
Закон действующих масс применим как к гомогенным равновесиям (например, к равновесиям в жидких растворах), так и к гетерогенным равновесиям, т. е. к равновесиям в гетерогенных системах.
Гетерогенная система - это система, состоящая из нескольких фаз, например, из двух несмешивающихся жидких фаз, из твердой и жидкой фаз и т. д.
Гетерогенное равновесие˗ это равновесие, устанавливающееся на границе раздела фаз.
В аналитической химии часто встречаются гетерогенные системы и равновесия двух типов: осадок (твердая фаза) какого-либо вещества, находящийся в равновесии с насыщенным раствором того же вещества (жидкая фаза), и две равновесные жидкие фазы, например, водный раствор и органический растворитель, не смешивающиеся друг с другом, между которыми распределено растворенное вещество, находящееся в равновесии с обеими жидкими фазами.
Примером системы первого типа может служить насыщенный водный раствор сульфата бария ВаSO4, находящийся в равновесии с осадком сульфата бария.
Примером системы второго типа может служить экстракционная система, состоящая из слоя жидкого тетрахлорида углерода , над которым расположен водный слой; причем в обеих контактирующих жидких фазах растворен молекулярный иод , вследствие чего жидкая органическая фаза окрашена в фиолетовый цвет (основная часть иода содержится в жидкой органической фазе), а водная ˗ в желтый.
В гетерогенной системе при постоянной температуре рано или поздно самопроизвольно достигается состояние равновесия.
---------Способы выражения растворимости малорастворимых сильных электролитов---------------------
Сильные электролиты, растворимость которых не превышает 10-3 моль/л, обычно считают малорастворимыми. Примером могут служить такие соли, как сульфат бария , карбонат кальция , хлорид серебра , растворимость которых в воде очень низкая. Растворившаяся часть малорастворимого сильного электролита в растворе полностью распадается на ионы. Непродиссоциировавшие молекулы сильного электролита в растворе отсутствуют.
Под растворимостью обычно подразумевают концентрацию насыщенного раствора данного вещества при определенной температуре. Используют различные способы выражения растворимости, например, массовую растворимость вещества , молярную растворимость вещества и др.
^ Массовая растворимость вещества ст - это масса растворенного вещества в граммах, содержащаяся в одном литре его насыщенного раствора:
,
где т ˗ масса растворенного вещества, г; V ˗ объем насыщенного раствора, л. Массовая растворимость вещества выражается в г/л.
^ Молярная растворимость вещества ˗ это количество растворенного вещества (т. е. число молей этого вещества), содержащееся в одном литре егонасыщенного раствора:
,
где т ˗ масса растворенного вещества, г; М ˗ молярная масса растворенного вещества в г/моль; V ˗ объем насыщенного раствора, л. Молярная растворимость вещества выражается в моль/л.
Применяются и другие способы выражения растворимости и иные обозначения.
Растворимость малорастворимого сильного электролита зависит от его природы и природы растворителя, температуры, давления (обычно зависимость от давления мала, если не поглощаются и не выделяются газообразные вещества), присутствия других электролитов в растворе (как имеющих, так и не имеющих одноименные ионы с рассматриваемым малорастворимым электролитом), а также различных веществ (в том числе нейтральных молекул), способных образовывать комплексные соединения с данным малорастворимым электролитом или вступающих с ним в другие химические реакции.
--------------Произведение растворимости малорастворимого сильного электролита----------------------------
Произведение растворимости малорастворимого сильного электролита ˗ это величина, равная произведению равновесных активностей (или равновесных концентраций) ионов данного электролита в его насыщенном растворе в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам. Применимо к сильным электролитам, у которых молярная растворимость S=10-3 моль/л. Обозначается символами ПР, , и т. д. Мы в дальнейшем будем обозначать произведение растворимости символом .
для любого малорастворимого сильного электролита, мы можем заключить, что произведение растворимости есть постоянная величина при постоянной температуре.
---------------------Условие образования осадков малорастворимых сильных электролитов------------------
Рассмотрим условие образования осадка малорастворимого сильного электролита в частном случае - образование осадка сульфата бария BaSO4 в водной среде. Произведение растворимости этой соли для чистой водной среды
= [Ba2+] = const при Т= const.
Концентрации ионов бария с(Ва2+) и сульфат-ионов c в растворе сульфата бария в чистой воде одинаковы и равны концентрации с растворенного сульфата бария, независимо от того, является ли раствор насыщенным или ненасыщенным:
Назовем произведение концентраций ионов c(Ba2+)c ионным произведением.
В ненасыщенном растворе сульфата бария концентрации ионов с(Ва2+) и c меньше их концентрации ^ S в насыщенном растворе, поэтому ионное произведение меньше произведения растворимости:
с(Ва2+) < S, c <S,
c(Ba2+)c = с2 < = S2.
Из ненасыщенного раствора осадок сульфата бария не выпадает.
Если ионное произведение будет больше произведения растворимости, то это означает, что концентрация ионов в растворе выше их молярной растворимости:
с(Ва2+) > S, c >S,
c(Ba2+)c > = S2,
т. e. раствор - пересыщенный. Осадок будет выпадать до тех пор, пока концентрации ионов станут равными их концентрации в насыщенном растворе, т. е. до тех пор, пока ионное произведение сравняется с произведением растворимости:
с(Ва2+) = S, c = S,
c(Ba2+)c = = S2.
Таким образом, условием образования осадка сульфата бария и выпадения его из раствора является неравенство
c(Ba2+)c > (BaSO4) , (3.4)
т. е. ионное произведение должно быть больше произведения растворимости.
Аналогично условию (3.4) можно указать условия образования осадков и для других малорастворимых сильных электролитов, например:
а) для тиоцианата серебра АgSCN ( = 1,1 ∙ 10-12)
с(Аg+)с(NCS-) > ( АgSCN) = 1,1 ∙ 10-12;
б) для сульфида платины PtS ( = 8 ∙ 10-73)
с(Pt2+)с(S2-) > ( PtS) = 8 ∙ 10-73;
в) дня ортофосфата кальция Са3(РO4)2 ( = 2,0 ∙ 10-29)
с(Ca2+)с( ) > [ Са3(РO4)2] = 2,0 ∙ 10-29;
г) для гидроксида марганца (IV) Mn(ОН)4 ( = 1 ∙ 10-56)
с(Mn4+)с(OH-)4 > [Mn(ОН)4] = 1 ∙ 10-56;
д) для гексанитрокобальтата (III) натрия и калия NaK2[Co(NO2)6] ( = 2,2 ∙ 10-11)
с(Na+)с(K+)2c{[Co(NO2)6]3-} > {NaK2[Co(NO2)6]}=2,2∙10-11
В общем случае условие образования осадка малорастворимого сильного электролита КnАm, состоящего из п катионов Кm+ и т анионов An- , имеет вид:
cn(Кm+)сm(An-)> (КnАm) (3.5)
т. е. ионное произведение должно быть больше произведения растворимости сильного малорастворимого электролита.
Если ионное произведение меньше произведения растворимости, то осадок не выпадает.
---------------------Дробное осаждение и дробное растворение осадков--------------------------------
Учет величин и S позволяет осуществлять избирательное осаждение различных ионов, что широко используется в качественном химическом анализе.
Так, например, прибавление насыщенного водного раствора сульфата кальция СаSO4 к водным растворам солей катионов стронция Sr2+, свинца Рb2+, бария Ва2+ приводит к помутнению растворов вследствие образования осадков сульфатов стронция SrSO4, свинца РbSO4 или бария ВаSO4 соответственно, поскольку эти сульфаты менее растворимы в воде, чем сульфат кальция. В то же время прибавление насыщенного водного раствора сульфата бария к растворам солей кальция, стронция и свинца не вызывает образование осадков соответствующих сульфатов и помутнение раствора. Эти явления можно объяснить, если сравнить произведения растворимости сульфатов кальция, стронция, свинца, бария
Действительно, при комнатной температуре произведение растворимости указанных сульфатов уменьшается в последовательности:
(CaSO4)=2,5∙10-5 > (SrSO4)=3,2∙10-7> (PbSO4) = 1,6∙10-8>
(BaSO4)=1,1∙10-10.
В насыщенном водном растворе сульфата кальция концентрация сульфат-ионов равна 5∙10-3 моль/л, а в насыщенном водном растворе сульфата бария -1,05∙10-5 моль/л, т. е. примерно на два порядка меньше. Прибавим к раствору какой-то соли бария насыщенный раствор сульфата кальция (или наоборот). Чтобы из раствора начал выпадать осадок сульфата бария, необходимо выполнение условия (3.4), т. е. ионное произведение
c(Ba2+)c >1,1∙10-10.
Но концентрация сульфат-ионов c 5∙10-3моль/л (полагая, что смешение растворов мало влияет на концентрацию насыщенного раствора сульфата кальция). Тогда концентрацию ионов бария [Ва2+], выше которой будет наблюдаться выпадение осадка сульфата бария, можно рассчитать следующим образом:
[Ва2+][ ] = 1,1∙10-10,
[Ва2+] = 1,1∙10-10/[ ] 1,1∙10-10/5∙10-3= 0,22 ∙ 10-7 моль/л.
При такой концентрации ионов бария будет наблюдаться образование осадка в насыщенном растворе сульфата кальция. Это очень низкая концентрация, значительно ниже, чем даже в насыщенном водном растворе чистого сульфата бария (1,05∙10-5 моль/л). Поэтому при содержании ионов бария в растворес(Ва2+) > 0,22 ∙ 10-7 моль/л прибавление насыщенного раствора сульфата кальция и приводит к образованию осадка и помутнению раствора.
Рассуждая аналогичным образом, можно объяснить, почему наблюдается помутнение растворов вследствие образования осадков сульфатов при прибавлении: насыщенного раствора сульфата кальция к растворам солей стронция и свинца (помимо растворов солей бария), насыщенного раствора сульфата стронция к растворам солей свинца и бария; насыщенного раствора сульфата свинца к растворам солей бария.
На основе сопоставления значений , S можно также объяснить явление избирательного (дробного) растворениятого или иного малорастворимого сильного электролита, находящегося в смеси с осадками других малорастворимых сильных электролитов.
Пусть, например, имеется смесь осадков сульфатов кальция, свинца и бария в водной среде. Если в эту систему прибавить раствор соли стронция Sr2+, то кальций из осадка перейдет в раствор, а стронций, наоборот, перейдет в осадок в виде сульфата стронция:
CaSO4 (т) SrSO4(т)
PbSO4(т)+Sr2+ →PbSO4(т)+Ca2+ (раствор)
BaSO4(т) BaSO4(т)
т. е. в системе протекает гетерогенная реакция
СаSO4(т) + Sr2+ (раствор) → SrSO4(т)+Са2+ (раствор)
Объясняется это тем, что растворимость сульфата стронция меньше растворимости сульфата кальция. Сульфаты свинца и бария останутся в осадке, так как их растворимость меньше растворимости сульфата стронция.
Чем больше различие между значениями произведения растворимости однотипных малорастворимых сильных электролитов, тем легче можно провести селективное осаждение или селективное растворение.
--------------------Перевод одних малорастворимых электролитов в другие----------------------------
При проведении анализа иногда возникает необходимость перевести малорастворимые осадки в другие, также малорастворимые осадки.
Так, например, при систематическом анализе катионов для отделения катионов кальция, стронция и бария от остальных катионов их осаждают разбавленной серной кислотой или растворами сульфатов, переводя в малорастворимые осадки сульфатов кальция СаSO4, стронция SrSO4 и бария ВаSO4. Осадок, состоящий из смеси этих сульфатов, отделяют от маточного раствора. Для открытия катионов кальция, стронция и бария в этой смеси ее необходимо перевести в растворимое состояние и в полуденном растворе идентифицировать каждый из указанных катионов с помощью той или иной реакции. Однако сульфаты кальция, стронция и бария не растворяются ни в воде, ни в кислотах, ни в щелочах.
Для перевода катионов кальция, стронция и бария в раствор из осадка смеси их сульфатов эту смесь обрабатывают при нагревании раствором соды Na2СO3. При такой обработке твердые сульфаты переходят в твердые же карбонаты:
СаSO4 (т) СаСO3(т)
SrSO4 (т) + Na2СO3 → SrCO3(т) + Na2SO4
ВаSO4 (т) ВаСО3(т)
Образовавшуюся нерастворимую в воде смесь карбонатов растворяют в какой-либо кислоте (например, в уксусной):
СаСO3(т)+2Н+ → Са2+ + СO2 ↑ +Н2O
SrСO3(т) + 2Н+ → Sr2+ + СO2 ↑ +Н2O
ВаСO3 (т) + 2Н+ → Ва2+ + СO2 ↑ +Н2O
Катионы кальция, стронция и бария при этом переходят в раствор, в котором их затем открывают различными реакциями.
Рассмотрим превращение твердых сульфатов в твердые карбонаты на примере перевода сульфата бария ВаSO4 в карбонат бария:
BaSO4 (т) + Na2CO3 →BaCO3(т) + Na2SO4
Произведения растворимости сульфата и карбоната бария равны соответственно 1,1∙10-10 и 4,0∙10-10. Чтобы сульфат бария растворялся и затем переходил в осадок в форме карбоната бария, необходимо выполнение следующих условий:
с(Ва2+)с <1,1∙10-10,
с(Ва2+)с > 4,0∙10-10.
Поскольку ионное произведение с(Ва2+)с при этом меньше произведения растворимости сульфата бария, то он будет растворяться, а поскольку ионное произведение с(Ва2+)с( ) больше произведения растворимости карбоната бария, то перешедшие в раствор катионы бария будут осаждаться в форме карбоната бария. Сульфат-ионы станут накапливаться в растворе и их необходимо периодически удалять.
В равновесном растворе над осадком сульфата бария концентрация ионов бария равна
с(Ва2+)=[Ва2+]=(1,1∙10-10)1/2=1,05∙10-5 моль/л.
Следовательно, для образования осадка карбоната бария необходимо, чтобы концентрация карбонат-ионов превышала величину
[ ] = (ВаСO3)/[Ва2+] = 4,0∙10-10/1,05∙10-5 = 3,81∙10-5 моль/л.
Это значение соответствует очень низкой концентрации карбонат-ионов врастворе, которую легко превзойти на несколько порядков путем введения соды Na2CО3 в раствор. При большом избытке карбонат-ионов с( ) > 3,81∙10-5 моль/л ионное произведение с(Ва2+)с( ) будет вомного раз превышать произведение растворимости карбоната бария и последний выпадает в осадок. За счет этого в растворе понижается концентрация ионов бария с(Ва2+), увлекаемых в осадок карбоната бария, так что ионное произведение c(Ba2+)c становится меньше произведения растворимости сульфата бария, который будет поэтому растворяться. Перешедшие в раствор ионы Ва2+ снова осаждаются в форме карбоната бария. Процесс продолжается до тех пор, пока практически весь твердый сульфат бария превратится в твердый карбонат бария.
Операцию обработки осадка сульфата бария раствором соды при нагревании (нагревание применяют для повышения скорости процесса) повторяют несколько раз, периодически удаляя раствор, в котором накапливаются сульфат-ионы, поскольку они препятствуют растворению сульфата бария.
Аналогичным образом осуществляется и перевод твердых сульфатов кальция и стронция в твердые карбонаты кальция и стронция.
-----------------Влияние добавок посторонних электролитов на растворимость малорастворимых сильных электролитов-------------------------------------------------------------------
1. Влияние добавок электролита с одноименным ионом
Рассмотрим гетерогенное равновесие
BaSО4 (т) = Ва2+ + (водный раствор)
Это равновесие характеризуется константой равновесия -произведением растворимости = const при Т = const. Введем в систему растворимый электролит, содержащий одноименные ионы ( или Ва2+), например, ионы . Тогда концентрация этих ионов в растворе увеличится по сравнению с исходной концентрацией [ ], обусловленной растворимостью чистого сульфата бария. Но произведение растворимости - величина постоянная при постоянной температуре:
[Ba2+][ ] = const при Т = const.
Поэтому рост [ ] приведет к уменьшению концентрации ионов бария [Ва2+], т. е. растворимость сульфата бария уменьшится.
Аналогичное рассмотрение можно провести для любого другого электролита.
Таким образом, введение в раствор электролита, содержащего одноименные с осадком ионы, не образующие с ним растворимые комплексные соединения, понижает растворимость малорастворимого сильного электролита, т. е. увеличивает полноту осаждения вещества.
К такому же выводу можно прийти и на основе учета принципа смещения подвижного равновесия Ле Шателье-Брауна. Однако этот принцип позволяет сделать лишь качественное заключение о том, в какую сторону смещается равновесие при введении одноименных ионов в раствор, тогда как использование произведения растворимости и концентраций дает возможность получить количественные результаты.
Заметим, однако, что если вводимые одноименные с осадком ионы образуют с ним растворимые комплексные соединения, то при достаточно большом избытке этих ионов наблюдается не понижение растворимости вещества, а, наоборот, растворение осадка.
Так, например, в присутствии иодид-ионов I- ионы двухвалентной ртути Hg2+ дают красный осадок иодида ртути(II):
Hg2+ + 2I- → HgI2 ↓
При избытке иодид-ионов в растворе гетерогенное равновесие HgI2(т) = Hg2+ +2I- (раствор) не смещается, однако, влево, как следовало бы ожидать, исходя из принципа смещения подвижного равновесия Ле Шателье-Брауна. Наблюдается, наоборот, растворение осадка вследствие образования растворимых комплексных тетраиодомеркурат (II) - ионов
[HgI4]2-:
HgI2(т)+2I- →[HgI4]2-
2. Влияние добавок постороннего (индифферентного) электролита
Рассмотрим то же гетерогенное равновесие
BaSО4 (т) = Ba2+ + (раствор)
Введем в систему какие-то растворимые электролиты, не содержащие одноименных с осадком ионов (например, KCl, NaCl, NaNО3, NH4Br и т. д.). При этом общее число ионов в растворе возрастает, увеличиваются силы электростатического взаимодействия между всеми ионами и повышается ионная сила раствора , где все символы имеют обычный смысл.
В этом случае коэффициенты активности f(Ва2+) и f( ) уже могут заметно отличаться от единицы, поэтому произведение растворимости следует выражать уже не через равновесные концентрации ионов [Ва2+] и [ ], а через их равновесные активности а(Ва2+) и a( ):
= a(Ba2+)a( ) = const.
Учитывая, что а(Ва2+) =f(Ва2+)[Ва2+] и a( )= f( )[ ], имеем:
= [Ва2+] [ ]f(Ва2+)f( ) = const. (3.6)
При не слишком высоких концентрациях растворов с ростом ионной силы раствора Iс коэффициенты активности ионов уменьшаются (становятся меньше единицы) в соответствии с уравнением второго приближения теории сильных электролитов Дебая и Хюккеля
Но величина в уравнении (3.6) должна оставаться постоянной при постоянной температуре. Поэтому уменьшение произведения f(Ва2+)f( ) в формуле (4.6) должно компенсироваться увеличением произведения [Ba2+][ ] за счет возрастания равновесных концентраций [Ва2+] и [ ], т. е. происходит повышение растворимости осадка сульфата бария.
Аналогичные рассуждения справедливы для любого малорастворимого сильного электролита.
Таким образом, введение в гетерогенную систему добавок постороннего (индифферентного) электролита приводит к изменению растворимости малорастворимого сильного электролита вследствие изменения коэффициентов активности ионов.Это явление называется солевым эффектом.
При не очень больших значениях ионной силы раствора (картина, достаточно часто встречающаяся для аналитических систем) введение посторонних электролитов обычно повышает растворимость осадка,так как уменьшаются коэффициенты активности ионов. При больших значениях ионной силы раствора возможно не увеличение, а, наоборот, уменьшение растворимости осадка при введении в систему посторонних электролитов, так как при высоких ионных силах раствора, как было показано выше (см. гл. 3), коэффициенты активности ионов могут быть больше единицы. В общем случае следует говорить об изменении растворимости осадков.
Солевой эффект проявляется всегда, также и при введении в гетерогенную систему таких электролитов, которые имеют с осадком одноименные ионы. Однако солевой эффект в меньшей степени изменяет растворимость осадка (в несколько раз) по сравнению с влиянием одноименных ионов (в несколько десятков и в сотни раз).
---------------Влияние различных факторов на полноту осаждения осадков и их растворение-----------------------
При использовании аналитических реакций, основанных на образовании осадков, первостепенное значение имеет полнота осаждения вещества из раствора. Обычно добиваются такой полноты осаждения, чтобы остаточное содержание в растворе осаждаемого вещества не превышало 10-6 моль/л. В таких случаях осаждение обычно считают полным для веществ, обладающих не слишком большой молекулярной массой.
Полнота осаждения осадков и их растворимость (а также и чистота) зависят от ряда факторов, важнейшими из которых являются: природа осаждаемого вещества, осадителя, растворителя; концентрация реагентов; температура; pH среды; присутствие посторонних веществ, как имеющих, так и не имеющих одноименные ионы с осадком; условия осаждения (быстрое или медленное образование осадка, осаждение из разбавленных или концентрированных растворов, при перемешивании или без перемешивания и т. д.); характер образующегося осадка (аморфный, кристаллический, мелкозернистый, крупнозернистый, рыхлый, плотный и т. п.); возможность протекания побочных реакций; продолжительность выдерживания осадка с маточником.
Влияние добавок посторонних веществ было рассмотрено в предыдущем разделе.
Процесс электролитической диссоциации - эндотермический, идет с поглощением теплоты, так как для разрыва молекулы (или кристалла) на ионы необходимо затратить определенную энергию. Повышение температуры, следовательно, должно способствовать этому процессу, т. е. приводить к увеличению растворимости. Однако ионы, на которые распадается молекула электролита, в растворе сольватируются (в водных растворах - гидратируются), т. е. окружают себя молекулами растворителя, образуя часто довольно прочные сольватокомплексы. Сольватация - процесс экзотермический, идет с выделением теплоты. Рост температуры затрудняет сольватацию. Оба процесса - распад на ионы и сольватация ионов - по разному, таким образом, зависят от температуры, поэтому суммарно растворимость электролита увеличивается с ростом температуры в меньшей мере, чем это наблюдалось бы при отсутствии сольватации. Бели в энергетическом отношении сольватационные процессы преобладают над процессом ионизации, то возможно даже уменьшение растворимости с ростом температуры.
Во многих аналитически значимых случаях растворимость увеличивается с повышением температуры.
Большую роль при осаждении или растворении осадка играет pH среды, особенно тогда, когда осаждаемое вещество обладает выраженными кислотно-основными свойствами и вступает в реакции с кислотами или основаниями. Так, например, малорастворимые в чистой воде гидроксиды или карбонаты ряда металлов при понижении pH раствора (т. е. при действии кислот) растворяются. Фактически в таких случаях речь идет не о физическом растворении осадков, а об их химических реакциях скислотами или основаниями, приводящих к образованию новых продуктов реакции. К аналогичным результатам приводят и реакции комплексообразования, например, упоминавшаяся выше реакция растворения иодида ртути (II) HgI2 в присутствии избытка иодид-ионов I-.
Обычно, особенно в количественном анализе, осадительные аналитические реакции проводят в таких условиях, которые обеспечивают наибольшую полноту выпадения осадка стехиометрического состава, содержащего минимум примесей посторонних веществ, и исключающих протекание побочных процессов.