B2.7 Opløselighedsprodukt
Kernestof på kemi A
Hælder man en opløsning af bly(II)nitrat sammen med en opløsning af kaliumiodid, bliver den klare væske med det samme gul og uklar. Der er dannet et fast stof, selv om begge opløsninger var klare. Med ligevægtsloven kan man forudsige, hvornår det sker, og hvor meget salt der kan være opløst i vandet.
Fra to klare opløsninger til et gult bundfald
Bly(II)nitrat, Pb(NO3)2, og kaliumiodid, KI, er begge letopløselige salte. I vand er de delt helt i ioner. Når de to opløsninger blandes, mødes bly(II)ioner og iodidioner. De danner saltet bly(II)iodid, PbI2, som er tungtopløseligt. Det samler sig som et fast stof i væsken og kaldes et bundfald. Reaktionen kaldes en fældningsreaktion. Fældningsreaktioner og fældningstabellen er forklaret i afsnit 2.4 i bogen til C-niveau.
Pb2+(aq) + 2 I−(aq) → PbI2(s)
Kaliumionerne og nitrationerne er tilskuerioner. De reagerer ikke og er derfor ikke med i reaktionsskemaet.
En mættet opløsning
Tungtopløseligt betyder ikke uopløseligt. I bundfaldet sidder bly(II)ionerne og iodidionerne i et iongitter, som du kender fra afsnit 2.3 i bogen til C-niveau. Ioner i gitterets overflade slipper hele tiden fri og går i opløsning. Samtidig sætter ioner fra opløsningen sig tilbage på gitteret. Reaktionen går altså begge veje, og efter kort tid er der en dynamisk ligevægt mellem det faste salt og ionerne i opløsningen:
PbI2(s) ⇌ Pb2+(aq) + 2 I−(aq)
Det er fældningsreaktionen skrevet den anden vej. Ligevægten kaldes en opløselighedsligevægt.
En opløsning, der er i ligevægt med det faste salt, kaldes mættet. Den indeholder så meget opløst salt, som vandet kan rumme ved den temperatur. Saltets opløselighed er den mængde salt, der er opløst i en mættet opløsning. Den angives i mol pr. liter eller i gram pr. 100 mL.
Opløselighedsproduktet
Reaktionsbrøken for opløselighedsligevægten skrives op efter reglerne fra afsnit B2.2. Det faste salt er ikke med, så der står ikke noget under brøkstregen:
\[ Y = [\mathrm{Pb^{2+}}] \cdot [\mathrm{I^-}]^{2} \]
I en mættet opløsning er der ligevægt, og reaktionsbrøken er lig med ligevægtskonstanten. For en opløselighedsligevægt kaldes ligevægtskonstanten opløselighedsproduktet, og den har symbolet Ko. Navnet kommer af, at udtrykket er et produkt af koncentrationer.
\[ K_\mathrm{o} = [\mathrm{Pb^{2+}}] \cdot [\mathrm{I^-}]^{2} \]
For bly(II)iodid er Ko = 1,79 · 10−8 M3 ved 20 °C. Enheden er M3, fordi der ganges tre koncentrationer med hinanden.
Tabellen viser opløselighedsproduktet for nogle tungtopløselige salte ved stuetemperatur.
| Opløselighedsligevægt | Opløselighedsprodukt | Ko |
|---|---|---|
| AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) + Cl−(aq) | [Ag+] · [Cl−] | 1,8 · 10−10 M2 |
| BaSO4(s) ⇌ Ba2+(aq) + SO42−(aq) | [Ba2+] · [SO42−] | 1,08 · 10−10 M2 |
| CaCO3(s) ⇌ Ca2+(aq) + CO32−(aq) | [Ca2+] · [CO32−] | 3,4 · 10−9 M2 |
| PbI2(s) ⇌ Pb2+(aq) + 2 I−(aq) | [Pb2+] · [I−]2 | 1,79 · 10−8 M3 |
| PbCl2(s) ⇌ Pb2+(aq) + 2 Cl−(aq) | [Pb2+] · [Cl−]2 | 1,7 · 10−5 M3 |
Jo mindre Ko er, jo mindre salt kan der være opløst i vandet.
Ko for AgCl og BaSO4 kan sammenlignes direkte, fordi begge salte bliver til to ioner. Ko for AgCl og PbI2 har forskellig enhed og kan ikke sammenlignes direkte. Så må man beregne opløseligheden af hvert salt.
Fra opløselighedsprodukt til opløselighed
Opløseligheden beregnes med et skema som i afsnit B2.3. Skemaet skrives op under hele reaktionsskemaet, også det faste salt.
Den ubekendte kaldes x. Her er x den stofmængdekoncentration af saltet, der går i opløsning, og det er netop saltets opløselighed i mol pr. liter.
Ligningerne er så enkle, at de kan løses uden et CAS-værktøj. Eksemplerne viser alle trin.
Når saltet giver to ens ioner
Bly(II)chlorid, PbCl2, har samme slags formel som bly(II)iodid. Hver formelenhed giver én bly(II)ion og to chloridioner. Det skal med i skemaet.
Et CAS-værktøj giver samme resultat, men ligningen kan altså løses uden.
Koefficienten 2 bruges to gange. Koncentrationen af ionen er 2x, og den skal sættes i anden: (2x)2 = 4x2. En typisk fejl er at skrive x · x2.
Kommer der bundfald?
Når to opløsninger blandes, kan man beregne reaktionsbrøken for blandingen og sammenligne den med Ko. Det er samme fremgangsmåde som i afsnit B2.4.
| Opløsningen er | Det sker der | |
|---|---|---|
| Y < Ko | umættet | Der dannes ikke bundfald. Der kan opløses mere salt. |
| Y = Ko | mættet | Der er ligevægt. |
| Y > Ko | overmættet | Der dannes bundfald, indtil Y igen er lig med Ko. |
Havde begge opløsninger kun været 0,0020 M, ville koncentrationerne i blandingen være 0,0010 M. Så er Y = 0,0010 M · (0,0010 M)2 = 1,0 · 10−9 M3, som er mindre end Ko. Blandingen ville være umættet og forblive klar.
Når to opløsninger hældes sammen, bliver rumfanget større, og begge stoffer bliver fortyndet. Brug altid koncentrationerne i blandingen og ikke koncentrationerne i de to glas.
Temperaturen og de gyldne krystaller
Opløselighedsproduktet er en ligevægtskonstant og ændrer sig derfor med temperaturen, som du lærte i afsnit B2.6. For bly(II)iodid bliver Ko større, når temperaturen stiger.
Varmes blandingen med det gule bundfald op, går bundfaldet i opløsning, og væsken bliver klar. Køles den langsomt ned igen, bliver Ko mindre, og bly(II)iodid udfældes som små, glinsende krystaller. De daler ned gennem væsken som gylden regn.
Indgreb i en opløselighedsligevægt
En mættet opløsning med bundfald er en ligevægt, og den kan forskydes ligesom ligevægtene i afsnit B2.5.
- Tilsættes der ekstra iodid til en mættet opløsning af bly(II)iodid, bliver Y større end Ko. Ligevægten forskydes mod venstre, og der dannes mere bundfald.
- Tilsættes der mere vand, bliver begge koncentrationer mindre. Så er Y mindre end Ko, og mere af bundfaldet går i opløsning.
- Tilsættes der mere fast bly(II)iodid, sker der ingenting. Det faste salt er ikke med i reaktionsbrøken.
Opløselighedsligevægten følger altså de samme regler som kapitlets andre ligevægte: ligevægtsloven, skemaet, sammenligningen af Y og K og indgrebene.
Prøv selv: Opløselighed af blyiodid: varm, køl, og se krystallerne komme igen.
Prøv selv: Fældningsreaktioner: øv dig i at opskrive fældningsreaktioner.