Γινόμενο διαλυτότητας 🧪
Σε αυτή την ενότητα μελετάμε τις ετερογενείς ισορροπίες που αποκαθίστανται ανάμεσα σε έναν δυσδιάλυτο ηλεκτρολύτη και τα ιόντα του, μέσα σε κορεσμένα διαλύματα. Πρόκειται για ισορροπίες ανάμεσα σε δύο διαφορετικές φάσεις: το αδιάλυτο στερεό και τα διαλυμένα ιόντα.
Η ενότητα επικεντρώνεται αποκλειστικά σε δυσδιάλυτους ιοντικούς ηλεκτρολύτες (άλατα και υδροξείδια μετάλλων). Δεν αναφερόμαστε:
- σε ευδιάλυτες ιοντικές ουσίες (π.χ. ),
- ούτε σε δυσδιάλυτες ομοιοπολικές ενώσεις (π.χ. ).
Σε αυτά τα διαλύματα, η (μικρή) ποσότητα του στερεού που τελικά διαλύεται βρίσκεται μέσα στο διάλυμα αποκλειστικά σε μορφή ιόντων.
Από την πλήρη διάλυση στην ισορροπία διαλυτότητας
Ας παρακολουθήσουμε τη συμπεριφορά του όταν προσθέτουμε διαφορετικές ποσότητες σε μεγάλο όγκο νερού, ώστε να κατανοήσουμε πότε σχηματίζεται ισορροπία.
Διάλυμα : 1 mol σε L . Ο όγκος του νερού είναι τόσο μεγάλος ώστε διαλύεται όλη η ποσότητα:
Οι συγκεντρώσεις που παράγονται είναι M, άρα:
Διάλυμα : 2 mol σε L . Διαλύεται και πάλι όλη η ποσότητα:
Διαλύματα και : 12 mol και 24 mol σε L . Εδώ κάτι αλλάζει: σε κάθε μία από τις δύο περιπτώσεις διαλύονται μόνο 10 mol , ενώ η υπόλοιπη ποσότητα (2 mol και 14 mol αντίστοιχα) παραμένει αδιάλυτη στον πάτο. Το διάλυμα έχει γίνει κορεσμένο και διαλύεται mol σε L, δηλαδή M:
| διαλύονται – παράγονται / M | ||
| ισορροπία / M |
Στις περιπτώσεις αυτές αποκαθίσταται μια δυναμική ετερογενής ισορροπία ανάμεσα στο αδιάλυτο στερεό και τα ιόντα:
Η ισορροπία είναι δυναμική: όσα ιόντα και εγκαταλείπουν το κρυσταλλικό πλέγμα του σε ορισμένο χρόνο, άλλα τόσα ιόντα και επιστρέφουν στο πλέγμα στο ίδιο χρονικό διάστημα. Έτσι οι συγκεντρώσεις των ιόντων μένουν σταθερές.
Ορισμός του γινομένου διαλυτότητας
Η σταθερά της παραπάνω ετερογενούς χημικής ισορροπίας ονομάζεται σταθερά γινομένου διαλυτότητας ή απλά γινόμενο διαλυτότητας. Για το :
Η συγκέντρωση του στερεού δεν γράφεται στην έκφραση του . Η συγκέντρωση ενός καθαρού στερεού είναι σταθερή και ανεξάρτητη από την ποσότητά του, γι' αυτό ενσωματώνεται στη σταθερά. Στην έκφραση του εμφανίζονται μόνο οι συγκεντρώσεις των ιόντων.
Συμβολισμός Στις σημειώσεις αυτές χρησιμοποιούμε το σύμβολο (όπου το «sp» προέρχεται από το solubility product).
Το γινόμενο ισούται με την τιμή μόνο σε κορεσμένο διάλυμα (διαλύματα και , όπου ).
Στα ακόρεστα διαλύματα το γινόμενο είναι μικρότερο από το : στα και βρήκαμε και αντίστοιχα, δηλαδή τιμές μικρότερες του .
Με ανάλογο σκεπτικό, για τη δυσδιάλυτη ένωση :
Γενική μορφή
Για μια δυσδιάλυτη ιοντική ένωση της μορφής :
Σταθερά γινομένου διαλυτότητας (ή απλά γινόμενο διαλυτότητας), , ενός δυσδιάλυτου ηλεκτρολύτη είναι το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων του (υψωμένων στην κατάλληλη δύναμη, ίση με τον συντελεστή κάθε ιόντος) σε κορεσμένο διάλυμα του ηλεκτρολύτη.
- Η τιμή του εξαρτάται μόνο από τη φύση της ιοντικής ένωσης και τη θερμοκρασία (όπως όλες οι σταθερές χημικής ισορροπίας).
- Η τιμή του μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.
- Το αποτελεί μέτρο της διαλυτότητας: για μια ορισμένη θερμοκρασία, όσο μεγαλύτερη η τιμή του , τόσο πιο ευδιάλυτος ο ηλεκτρολύτης.
Διαλυτότητα
Στο παράδειγμα του είδαμε ότι η συγκέντρωση του κορεσμένου υδατικού διαλύματος ήταν mol/L. Η συγκέντρωση αυτή εκφράζει τη διαλυτότητα του στο νερό.
Διαλυτότητα μιας ουσίας είναι η μέγιστη ποσότητα της ουσίας που μπορεί να διαλυθεί σε ορισμένη ποσότητα διαλύτη, σε ορισμένη θερμοκρασία. Με άλλα λόγια, εκφράζει τη συγκέντρωση του αντίστοιχου κορεσμένου διαλύματος.
Η διαλυτότητα εκφράζεται συνήθως με τους εξής τρόπους:
- % κ.ο. — g διαλυμένης ουσίας ανά 100 mL διαλύτη,
- % κ.β. — g διαλυμένης ουσίας ανά 100 g διαλύτη,
- mol/L — mol διαλυμένης ουσίας ανά 1 L διαλύτη. Συμβολίζουμε τη διαλυτότητα σε mol/L με το γράμμα και είναι η μορφή που χρησιμοποιούμε στους υπολογισμούς με το .
Επειδή πρόκειται για δυσδιάλυτες ουσίες (πολύ μικρές ποσότητες διαλύονται), θεωρούμε ότι ο όγκος του διαλύματος ισούται με τον όγκο του διαλύτη και η μάζα του διαλύματος ισούται με τη μάζα του διαλύτη.
Από τι εξαρτάται η διαλυτότητα
1. Από τη φύση του ηλεκτρολύτη και του διαλύτη. Ισχύει ο κανόνας «όμοια ομοίοις διαλύονται»: οι ιοντικές (πολικές) ενώσεις διαλύονται σε πολικούς διαλύτες και οι ομοιοπολικές (μη ή ασθενώς πολικές) σε μη πολικούς διαλύτες. Γι' αυτό το διαλύεται στο νερό και όχι στη βενζίνη.
2. Από τη θερμοκρασία. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της διαλυτότητας και του . Για διάφορα άλατα, η σχέση διαλυτότητας–θερμοκρασίας απεικονίζεται στο Σχήμα 5.19 της ενότητας 5.7 του βιβλίου.
Για τα αέρια η συμπεριφορά είναι αντίθετη: η διαλυτότητά τους στα υγρά συνήθως μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυξάνει με την αύξηση της πίεσης.
3. Από την επίδραση κοινού ιόντος. Αν σε κορεσμένο διάλυμα δυσδιάλυτου ηλεκτρολύτη προστεθεί άλλος ηλεκτρολύτης που έχει κοινό ιόν, η ισορροπία μετατοπίζεται προς το αδιάλυτο στερεό (αρχή Le Chatelier), με αποτέλεσμα τη μείωση της διαλυτότητας. Αναλύεται παρακάτω.
Επίδραση κοινού ιόντος στη διαλυτότητα
Όταν σε κορεσμένο διάλυμα δυσδιάλυτου ηλεκτρολύτη προστεθεί άλλος ευδιάλυτος ηλεκτρολύτης που έχει κοινό ιόν με τον δυσδιάλυτο, η ισορροπία διαλυτότητας μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση του αδιάλυτου στερεού, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier. Αποτέλεσμα: η διαλυτότητα του δυσδιάλυτου ηλεκτρολύτη ελαττώνεται.
Πρόκειται για ανάλογο φαινόμενο με τη μείωση του βαθμού ιοντισμού ασθενούς ηλεκτρολύτη παρουσία κοινού ιόντος. Για παράδειγμα, στην ισορροπία:
αν προσθέσουμε ευδιάλυτο (που προσφέρει ) ή (που προσφέρει ), η ισορροπία μετατοπίζεται αριστερά λόγω της επίδρασης του κοινού ιόντος, και η διαλυτότητα του μειώνεται.
Σχέση διαλυτότητας και γινομένου διαλυτότητας
Έστω η διαλυτότητα (σε mol/L) δυσδιάλυτης ιοντικής ένωσης . Σε κορεσμένο διάλυμα, για κάθε mol/L στερεού που διαλύεται παράγονται mol/L ιόντων και mol/L ιόντων :
| διαλύονται – παράγονται / M | ||
| ισορροπία / M |
Επομένως:
Με τη σχέση αυτή υπολογίζουμε τη διαλυτότητα από την τιμή του και αντίστροφα το από τη διαλυτότητα.
Οι συντελεστές και εμφανίζονται τόσο ως βάση (μέσα στην παρένθεση) όσο και ως εκθέτης της κάθε συγκέντρωσης. Για παράδειγμα, για (δηλαδή , ) είναι , ενώ για () είναι .
Λυμένο παράδειγμα — διαλυτότητα του
Δίνεται του ίσο με .
α. Διαλυτότητα στο καθαρό . Έστω η διαλυτότητα:
όπου παράγονται και . Άρα:
β. Διαλυτότητα σε διάλυμα 0,1 M (κοινό ιόν ). Το διίσταται πλήρως δίνοντας M. Έστω η νέα διαλυτότητα:
| ισορροπία / M | ||
|---|---|---|
Επειδή το είναι πολύ μικρό, κάνουμε την προσέγγιση :
γ. Διαλυτότητα σε διάλυμα 0,1 M (κοινό ιόν ). Το διίσταται πλήρως δίνοντας M. Έστω :
| ισορροπία / M | ||
|---|---|---|
Με την προσέγγιση :
δ. Σύγκριση. Και στις δύο περιπτώσεις, με την παρουσία κοινού ιόντος ( ή ) η διαλυτότητα του ελαττώνεται (από M σε M και M αντίστοιχα).
Η επίδραση του κοινού ιόντος είναι μεγαλύτερη από αυτή του , γιατί στην έκφραση του η υψώνεται σε μεγαλύτερη δύναμη. Γενικά: μεγαλύτερη επίδραση προκαλεί το κοινό ιόν με τον μεγαλύτερο συντελεστή στην εξίσωση διάστασης.
Πρόβλεψη σχηματισμού ή διάλυσης ιζήματος
Για να σχηματιστεί ίζημα ενός δυσδιάλυτου ηλεκτρολύτη, πρέπει στο διάλυμα να υπάρχουν οι κατάλληλες συγκεντρώσεις ιόντων. Συγκεκριμένα, το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων (υψωμένων στην κατάλληλη δύναμη) πρέπει να υπερβαίνει την τιμή του .
Το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων που υπάρχουν μια δεδομένη στιγμή στο διάλυμα (υψωμένων στην κατάλληλη δύναμη) ονομάζεται γινόμενο ιόντων και συμβολίζεται . Για ηλεκτρολύτη της μορφής :
Έχει την ίδια μορφή με το , όμως υπολογίζεται με τις τρέχουσες (στιγμιαίες) συγκεντρώσεις, που δεν είναι απαραίτητα συγκεντρώσεις ισορροπίας.
Το κριτήριο για την πρόβλεψη σχηματισμού ή μη ιζήματος είναι η σύγκριση του με το :
- : το διάλυμα είναι ακόρεστο. Δεν σχηματίζεται ίζημα, και αν υπάρχει ήδη ίζημα, αυτό διαλύεται.
- : το διάλυμα είναι κορεσμένο, χωρίς να σχηματίζεται (επιπλέον) ίζημα.
- : σχηματίζεται ίζημα (καταβύθιση), μέχρι το να μειωθεί σε .
Διαισθητικά: όταν οι συγκεντρώσεις των ιόντων είναι «πάρα πολλές» για το διάλυμα (), η περίσσεια ιόντων ενώνεται σε στερεό μέχρι να αποκατασταθεί η ισορροπία. Όταν είναι «πολύ λίγες» (), υπάρχει περιθώριο να διαλυθεί κι άλλο στερεό. Η εικόνα αυτή απεικονίζεται στο Σχήμα 5.20 της ενότητας 5.7 (καταβύθιση / ισορροπία / διάλυση), ενώ τα Σχήματα 5.21 και 5.22 δείχνουν τον σχηματισμό ιζήματος και κατά την ανάμιξη κατάλληλων διαλυμάτων.
Λυμένο παράδειγμα — μέγιστη και ελάχιστη
Σε διάλυμα 0,01 M προσθέτουμε καθαρό (χωρίς μεταβολή του όγκου). Δίνεται του ίσο με . Μετά την πλήρη διάσταση: M και έστω M.
α. Μέγιστη ώστε να ΜΗΝ σχηματιστεί ίζημα. Πρέπει :
β. Ελάχιστη ώστε να καταβυθιστεί . Πρέπει :
Δηλαδή το ίζημα αρχίζει να σχηματίζεται όταν η γίνει λίγο μεγαλύτερη από M.
Λυμένο παράδειγμα — ανάμιξη και ποσότητα ιζήματος
Αναμειγνύονται 2 L διαλύματος M με 2 L διαλύματος M. Δίνεται του ίσο με .
Έλεγχος σχηματισμού ιζήματος. Μετά την ανάμιξη ο συνολικός όγκος είναι 4 L, οπότε οι συγκεντρώσεις αραιώνονται. Τη στιγμή της ανάμιξης:
Άρα σχηματίζεται ίζημα μέχρι το να γίνει .
Υπολογισμός ποσότητας. Έστω η συγκέντρωση που καταβυθίζεται:
| αρχικά / M | ||
| ισορροπία / M |
Στην ισορροπία:
Η εξίσωση δίνει και . Δεκτή είναι μόνο η M, αφού πρέπει (η ρίζα θα έδινε αρνητική συγκέντρωση ). Με όγκο διαλύματος 4 L, η ποσότητα του ιζήματος είναι:
Όταν η εξίσωση δίνει δύο θετικές ρίζες, απορρίπτουμε όποια οδηγεί σε αρνητική συγκέντρωση ιόντος στην ισορροπία. Η συγκέντρωση που καταβυθίζεται δεν μπορεί να υπερβαίνει την αρχική συγκέντρωση κανενός από τα δύο ιόντα.
Συνοπτικά 🔑
- Δυσδιάλυτος ιοντικός ηλεκτρολύτης: σε κορεσμένο διάλυμα αποκαθίσταται ετερογενής ισορροπία .
- Γινόμενο διαλυτότητας: — εξαρτάται μόνο από τη φύση της ένωσης και τη θερμοκρασία· το στερεό δεν εμφανίζεται.
- Διαλυτότητα : συγκέντρωση (mol/L) του κορεσμένου διαλύματος. Σχέση: .
- Κοινό ιόν: μειώνει τη διαλυτότητα (μετατόπιση προς το στερεό). Μεγαλύτερη επίδραση από το ιόν με τον μεγαλύτερο συντελεστή.
- Γινόμενο ιόντων (στιγμιαίες συγκεντρώσεις) έναντι : ακόρεστο (ίζημα διαλύεται) · κορεσμένο · καταβύθιση.