Главная страница
Навигация по странице:

  • Приближенные формулы для расчета молярной растворимости (s) солей в кислых неокислительных средах

  • 6.2. Влияние гидролиза ионов осадка

  • 6.3. Влияние комплексообразования катиона

  • 7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАСТВОРИМОСТИ ТВЕРДЫХ ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ В ВОДЕ И ЩЕЛОЧНЫХ СРЕДАХ

  • 7.1. Растворимость в чистой воде

  • 7.2. Растворимость в сильнощелочной среде

  • 7.3. Минимальная растворимость амфотерных гидроксидов и оксидов

  • 8. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА АМФОТЕРНОСТИ ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ

  • Рассчитанные термодинамические параметры растворения стабильных кристаллических гидроксидов в воде и щелочи при 25  С [6, 7]

  • Библиографический список

  • Евгений Васильевич Школьников

  • Методические указания по общей, неорганической и аналитической химии для студентов и аспирантов технологических и технических специальностей вузов


    Скачать 326.11 Kb.
    НазваниеМетодические указания по общей, неорганической и аналитической химии для студентов и аспирантов технологических и технических специальностей вузов
    Дата28.11.2021
    Размер326.11 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаniah_09.docx
    ТипМетодические указания
    #284420
    страница3 из 3
    1   2   3

    Для гетерогенного равновесия в кислоте-неокислителе



    MmАn(т) + 2nH+ (p) mM(2n/m)+ (p) + nH2A (p)
    молярную растворимость соли, образованной анионом слабой кислоты Н2А, рассчитывают по уравнению
    sm+n = (18)
    с использованием уравнения (15) при n = 2 для молярной доли хА, где А – S2–, CO , SO , Se2– и др.

    Приближенные формулы (табл. 1) расчета растворимости могут быть выведены в зависимости от типа стехиометрии соединения MmAn и соотношения величин рК1 и рК2 слабой кислоты Н2А и рН среды. Например, растворимость малорастворимой соли типа МА, образованной катионом М2+ и анионом А2–, определяют по приближенным формулам:

    а) при pH < pK1 (сульфиды MS, карбонаты MCO3)
    s  [H+] ; (19а)
    б) при рК1 < pH < pK2 (сульфиты MSO3, селениты MSeO3)
    s  ; (19б)
    в) при рК2 < pH (сульфаты MSO4, селенаты MSeO4, дихроматы MСr2O7)
    s  . (19в)
    Расчеты показывают, что растворимость сульфидов MS (M – Pb, Cd, Cu, Hg) сильно (в  107 раз) возрастает при уменьшении рН от 7 до 3 и еще в 200–240 раз при изменении рН от 3 до 1 в основном из-за связывания сульфид-ионов в слабые кислоты HS и H2S [5]. Растворимость фторидов MF3 (M – Sc, Y, La) при тех же изменениях рН возрастает в 2,3 и 40 раз в основном из-за связывания фторид-ионов в молекулы слабой кислоты HF (см. рисунок).
    Пример 8. Какую избыточную концентрацию осадителя Na2C2O4 следует создать при рН 3, чтобы растворимость осадка СаС2О4 = 2,3 109) не превышала 10–6 моль / л? Ступенчатые константы диссоциации щавелевой кислоты К1 = 5,6  10–2 и К2 = 5,4  10–5 при 25С. Ионную силу раствора не учитывать.

    Т а б л и ц а 1
    Приближенные формулы для расчета

    молярной растворимости (s) солей в кислых неокислительных средах


    Состав

    соли

    Заряд

    аниона

    Формула

    Условия

    МА

    1

    s2

    рH  рК – 1

    МА2

    s3

    МА3

    s4

    М2А

    2

    s3

    рH  рК1 – 1,

    рК1 < рК2

    МА

    s2

    s2

    рК1 < рН < рК2

    s2  Ks

    РК2 < pH

    М3А

    3

    s4

    рH  рК1 – 1,

    рК1 < рК2 < рК3

    М3А2

    s5

    МА

    s2


    Примечания к таблице:

    1. При ионной силе I > 5 10–4 M величина Ks – реальная константа растворимости.

    2. КН2А = К1К2, КН3А = К1К2К3.

    Решение. Для гетерогенного равновесия в кислой среде
    СаС2О4 (к) Са2+ (р) + С2О (р)
    10–6 10–6 C (Na2C2O4) x (C2O )
    равновесную мольную долю оксалат-ионов вычисляем по формуле (15) при n = 2 и полученное значение 0,05 подставляем в выражение для константы растворимости оксалата кальция:
    К = [Ca2+] [C2O ] = 10–6 C (Na2C2O4) 0,05 = 2,3  10–9.
    Затем находим С (Na2C2O4)  0,046 моль / л.
    Пример 9. Может ли образоваться осадок СаF2 = 4,0 10–11) в растворе, содержащем 0,01 моль / л СаCl2, 0,01 моль / л KF и 0,06 моль / л HCl? KHF = 6,2 10–4. Решать с учетом ионной силы раствора.
    Решение. Условием образования осадка СаF2 является соотношение [Ca2+] [F]2  K . В кислой среде с гетерогенным равновесием
    Са2+ (р) + 2F (p) СаF2 (к)
    конкурирует гомогенное равновесие протонирования фторид-ионов в растворе
    F + Н+ HF.
    Общая ионная сила раствора равна 0,1 моль / л. Тогда коэффициенты активности ионов будут равны f (Ca2+) = 0,405, f (F) = 0,755 [2], а реальная константа растворимости СаF2 составит 1,7  10–10. Мольную долю анионов F вычисляем по формуле (15) при n = 1 и [H+] = CHCl = 0,06 M. Полученное значение x (F) вместе с значениями [Ca2+] = 0,01 М и [F] =
    = 0,01 x (F) используем для определения ИПК = 10–2 (10–2  0,0102)2 =
    = 1,04  10–10. Так как ИПК = [Ca2+] [F]2 < K , осадок СаF2 образоваться не может. Решение без учета ионной силы раствора приводит к неверному заключению.
    Пример 10. При какой минимальной концентрации ионов водорода не будет выделяться осадок MnS (K = 2,5  10–10) в растворе 0,02 М по MnCl2 и 0,06 М по Na2S? Константы ионизации H2S равны К1 = 1,0  10–7 и К2 =
    = 2,5  10–13 при 25С.

    Решение. Осадок MnS не будет выделяться при условии [Mn2+] [S2–] < K . Рассмотрим гетерогенное равновесие
    MnS (к) + 2H+ (p) Mn2+ (р) + H2S (р),
    K = 1,5 10–9 рН 0,02 М К = 2,5 10–20
    которое смещается вправо при понижении рН раствора. При общей ионной силе электролита 0,24 М коэффициенты активности двухзарядных ионов равны 0,414 [2], а реальная константа растворимости MnS составит 1,5 109. Тогда [S2–] < K / [Mn2+]. Так как [S2–] = С (Na2S)  x (S2–) < 7,3  10–8 М, то согласно формуле (15) при n = 2 получаем уравнение
    [H+]2 + 10–7 [H+] – 2,05  10–14 = 0,

    .

    решая которое, находим [H+]min = 1,02  10–7 М и рН = 6,99.
    6.2. Влияние гидролиза ионов осадка
    При строгом расчете растворимости в чистой воде осадка соли, содержащей анионы слабой кислоты, следует учитывать влияние гидролиза аниона. В результате частичного связывания анионов в недиссоциированные формы кислоты растворимость осадка возрастает. Рассмотрим два основных случая.

    Если без учета гидролиза растворимость осадка меньше 10–9 М, то ионы ОН, образующиеся в результате гидролиза соли, практически не нарушают равновесие ионизации воды и [H+] = 10–7 М = const при 25С.
    Пример 11. Рассчитать влияние гидролиза сульфид-иона на растворимость Cu2S (K = 2,5  10–48) в чистой воде. Для H2S K1 = 1,0  10–7 и K2 =
    = 2,5  10–13.

    Решение. Так как константа K очень мала, принимаем, что при гидролизе S2– – ионов рН воды практически не изменяется и [H+] = 10–7 М. Тогда [Cu+] = 2s, [S2–] = s x (S2–). По формуле (15) при n = 2 вычисляем x (S2–) = = 1,3 10–6, а затем находим
    s =
    что превышает величину растворимости, вычисленную без учета гидролиза
    s =
    в 91 раз.

    Рассмотрим теперь случай, когда растворимость осадка соли относительно велика и гидролиз аниона осадка происходит в значительной степени лишь по первой ступени:
    MmАn + nH2O mM + nHA + nOH.
    s ms ns ns
    Здесь заряды ионов М и НА для простоты опущены. Пренебрегая влиянием равновесия самоионизации воды на концентрацию ОН, выразим константу гидролиза через константы ионизации слабых электролитов. Тогда получим выражение
    КГ = K (MmAn) K / KHA = (ms)m(ns)n(ns)n (20)
    для расчета молярной растворимости s осадка соли с учетом гидролиза аниона А по первой ступени (Kw – ионное произведение воды).
    Пример 12. Вычислить растворимость осадка Ва3(PO4)2 в чистой воде с учетом гидролиза аниона.
    Решение. Учитываем гидролиз по первой ступени с образованием HPO
    Ва3(PO4)2 + 2H2O 3Ba2+ + 2HPO + 2OH
    s 3s 2s 2s
    и, используя значения констант K = 6  10–39 для фосфата бария и К(HPO ) = 5,0  10–13, вычисляем растворимость осадка по формуле
    s7 = 6  10–39 (10–14)2 / [33  24 (5  10–13)2],
    откуда s = 5,0  10–7 М, что в 56 раз превышает растворимость соли без учета гидролиза (см. пример 1).

    Растворимость осадка возрастает и при гидролизе катиона с образованием гидроксокомплексов. При учете этого влияния используются константы устойчивости комплексов.
    6.3. Влияние комплексообразования катиона
    При побочной реакции комплексообразования катиона растворимость осадка соли (гидроксида, оксида) возрастает. В этом случае для расчетов по уравнениям (8) и (4) необходимо знать численное значение мольной доли х(М) свободных (раскомплексованных) катионов М.

    Мольную долю х(М) вычисляют для известного значения равновесной молярности [L] лиганда по формуле
    x(M) = [M] / C(M) = [1 + ]–1, (21)
    где C (M) = [M] + [ML] + [ML2] +…+ [MLn] и

    i – общие концентрационные константы устойчивости (образования) комплексов MLi. Обратную величину 1/х (М) называют функцией закомплексованности.
    Пример 13. Рассчитать растворимость йодида серебра в 2 М растворе аммиака.
    ПРт (AgI) = 8,3  10–17; lg 1 = 3,32 и lg 2 = 7,23
    для аммиачных комплексов серебра.
    Решение. С гетерогенным равновесием
    Ag I (к) Ag+ (p) + I (p)
    конкурируют гомогенные равновесия в растворе
    Ag+ + NH3 Ag (NH3)+,
    Ag+ + 2NH3 Ag (NH3)
    с общими константами 1 и 2. Рассчитаем мольную долю свободных катионов Ag+ по формуле (21)
    x (Ag+) = (1 + 21 + 222)–1 = 1,5  10–8.
    Находим условное произведение растворимости AgI
    ПРу =
    и вычисляем растворимость s = = 7,4  10–5 М.
    Пример 14. Рассчитать растворимость свежеосажденного основания Mg(OH)2 (ПРт = 6  10–10) в 0,1 М растворе NaOH с учетом ионной силы раствора и образования гидроксокомплекса MgOH+ (1 = 3,6  102).
    Решение. Растворимость аморфного Mg (OH)2 в чистой воде вычисляем по формуле (4)
    s = (ПРт / 4)1/3 = 5,3  10–4 М.
    В щелочном 0,1 М растворе NaOH гетерогенное равновесие
    Mg(OH)2 (a) Mg2+ (p) + 2OH (p)
    s s 2s + 0,1  0,1
    сместится влево из-за увеличения концентрации гидроксид-ионов, общих с анионами осадка, и растворимость s основания уменьшится.

    Рассчитаем сначала величину s без учета комплексообразования, но с учетом ионной силы раствора с использованием формул (7) и (4):
    I = C (NaOH) = 0,1 M, f (Mg2+) = 0,45, f (OH) = 0,76 [2], ПРр = 6  10–10 /
    / (0,45  0,762) = 2,3 10–9, s = ПРр / [OH]2 = 2,3  10–7 M << s.
    С учетом гомогенного равновесия в щелочном растворе
    Mg2+ + OH MgOH+
    с константой 1 найдем мольную долю свободных катионов Mg2+ по формуле (21)
    x (Mg2+) = 1 / (1 + 1 [OH] = 2,7  10–2,
    условное произведение растворимости Mg(OH)2
    ПРу = ПРр / x (Mg2+) = 8,6  10–8
    и вычислим растворимость s = ПРу / [OH]2 = 8,6  10–6 М. Полученное значение s в 37 раз превышает величину s, вычисленную без учета комплексообразования катиона магния, но в 62 раза меньше растворимости s в чистой воде (влияние общих ионов ОН преобладает).

    7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАСТВОРИМОСТИ
    ТВЕРДЫХ ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ В ВОДЕ
    И ЩЕЛОЧНЫХ СРЕДАХ
    Влияние величины рН на растворимость гидроксидов металлов в водно-щелочной среде представляет интерес при определении условий гидролиза, практически полного осаждения или эффективного маскирования катионов в виде растворимых гидроксокомплексов.

    В водном растворе, насыщенном относительно малорастворимого гидроксида M(OH)m, устанавливается гетерогенное химическое равновесие
    M (OH)m (т) Mm+(p) + mOH (p), (22)
    термодинамическая константа которого определяется выражением
    K = ПРт = а (Мm+) am(OH) = const (Т). (23)

    Значения константы растворимости находят в справочниках, например [2] или рассчитывают [6, 7] с использованием термодинамического соотношения
    lg K = – 0,175 G , (10,а)
    где G – стандартное изменение энергии Гиббса (кДж / моль), которое для процесса растворения (22) вычисляют по уравнению
    G = G (Mm+) + mG (OH) – G [M(OH)m]. (24)
    Значения G образования ионов в водных растворах приведены в работе [8], величины G образования аморфных и кристаллических модификаций гидроксидов при 298 К – в справочнике [9].

    Молярную растворимость M(OH)m в чистой воде и водно-щелочной среде рассчитывают с учетом ионной силы раствора и образования моноядерных гидроксокомплексов [2] по обобщенному уравнению
    s = CM = , (25)
    где СМ – общая молярность всех химических форм М в насыщенном растворе; о = 1, (1, 2, … , i – общие константы устойчивости гидроксокомплексов MOH(m–1)+ , …, М(ОН) .
    7.1. Растворимость в чистой воде
    Концентрацию свободных анионов ОН и величину рНо насыщенных растворов гидроксидов или оксидов в чистой воде измеряют рН-метром или находят путем решения системы трех (четырех) уравнений [6, 7] например для гироксидов M(OH)2 или оксидов МО:
    [M2+] [OH]2 = K , = 1, (26)
    2 [M2+] + [MOH+] = [OH]
    с использованием метода Кардано для кубического уравнения.

    В расчетах для неустойчивых твердых гидроксидов, например для ртути (II), и малорастворимых оксидов МО учитывают химические равновесия
    МО (т) + Н2О (ж) М (ОН)2 (р) М2+ (p) + 2OH (p). (27)

    Пример 15. Вычислить рН насыщенного раствора и молярную растворимость s кристаллической -модификации Cd (OH)2 в чистой воде при 25С. K ( – Cd (OH)2) = 5,4 10–15 [6]. Общие константы устойчивости гидроксокомплексов кадмия (II): 1 = 8,3 103, 2 = 4,5 107, 3 = 5,0 108,
    4 = 4,5  108.
    Решение. В водном растворе Cd (OH)2 преобладают катионы Cd2+, комплексы CdOH+ и анионы ОН. Равновесную молярность [OH] = Z и рН найдем, решая систему трех уравнений (26). Получим кубическое уравнение
    Z3 + pZ + q = 0,
    где р = – K 1, q = –2 K . Используя метод Кардано, вычисляем дискриминант уравнения D = (p / 3)3 + (q / 2)2. При D = 2,916 10–29 > 0 имеем один действительный корень Z1 = [OH] = 2,3 10–5 M, откуда рН = 9,36.
    Молярную растворимость гидроксида кадмия в чистой воде вычисляем по упрощенной формуле (25), так как I < 10–4 M и fi = 1:
    s = (1 + + 2 + 3 [OH] + 4[OH]2) = 1,3  10–5 М
    Расчет s без учета комплексообразования по формуле (4) дает 1,1 10–5 М (на 20% меньше).

    Растворимость свежеосажденных аморфных гидроксидов выше, чем кристаллических модификаций. Растворимость последних заметно зависит от структуры, уменьшаясь при переходе к стабильным модификациям [6, 7]. Причиной возникновения метастабильных донных фаз с повышенной энергией и растворимостью является кинетическая заторможенность тех или иных стадий формирования равновесных кристаллических осадков [1].
    7.2. Растворимость в сильнощелочной среде
    Влияние образования гидроксокомплексов на растворимость гидроксидов и оксидов усиливается при добавлении щелочи.
    Пример 16. Вычислить молярную растворимость -Cd(OH)2 в 0,01 М и 1 М растворах NaOH с учетом комплексообразования и ионной силы раствора (см. константы K и i в примере 15).

    Решение. Из-за влияния общих ионов ОН в сильнощелочной среде NaOH гетерогенное равновесие растворимости должно сместиться в сторону образования осадка гидроксида кадмия. Противоположное (положительное) влияние на растворимость оказывают солевой эффект и особенно образование гидроксокомплексов кадмия (II). При рН = 12 и K = 9,9 1015 расчет по формуле s = K / [OH]2 дает s = 1,1 10–10 М, а по формуле (25) – 5,0 10–7 М (различие в 4,6 103 раз).

    При рН = 14, [OH] = 1 М и K = 1,06 K = 5,7 1015 расчет растворимости по тем же формулам (4) и (25) дает значения соответственно 5,7 1015 М и 6 106 М (различие в 109 раз). Вместе с тем из-за невысокой прочности гидроксокомплексов кадмия (II) растворимость Cd(OH)2 в 0,01
    и 1 М растворах NaOH меньше растворимости в чистой воде (s = 1,3 10–5 М). Расчет показывает, что в 5 М растворе NaOH отношение s / s  6 [6], т.е. Cd(OH)2 заметно амфотерен, в отличие от Mg(OH)2 (см. рисунок).

    Расчеты показывают [6], что при увеличении рН или активной щелочности среды молярная растворимость оснований Mg(OH)2, Са(OH)2, Sr(OH)2 и Ва (OH)2 монотонно уменьшается, следуя приближенному уравнению s = Ks / [OH]2 (см. рисунок, кривые 2 и 3).

    При этом эффект сильного понижения растворимости в присутствии общих ОН-ионов не компенсируется слабым положительным эффектом образования непрочных гидроксокомплексов МОН+ и М(ОН)2.

    У Sn (OH)2, как и HgO (рисунок, кривая 6), практически отсутствует эффект общих ионов ОН. Анализ показывает, что условиями отсутствия этого эффекта являются высокие значения константы устойчивости 2 нейтрального комплекса М(ОН)2 и его молярной доли в чисто водном растворе (х  0,9). У Zn(ОН)2 и Со(ОН)2 заметно понижающее (в 2 раза) влияние общих ионов ОН на растворимость в щелочи, а наиболее сильное влияние (в 350 раз) у Fe(ОН)2 [7].



    Зависимость растворимости s(моль/л) твердых гидроксидов

    от водородного показателя рН водно-щелочной среды при t = 25C

    1 – -Be(OH)2, 2 – свежеосажденный Mg(OH)2, 3 – Ca(OH)2, 4 – -Zn(OH)2,

    5 – -Cd(OH)2, 6 – -HgO.

    7.3. Минимальная растворимость

    амфотерных гидроксидов и оксидов
    Анализ уравнения (25) приводит к заключению о том, что минимальная растворимость амфотерных гидроксидов М(ОН)n наблюдается при оптимальной концентрации ОН-ионов, когда среди равновесных частиц в растворе преобладают нейтральные комплексы М(ОН)n. В частности, из условия максимума молярной доли x [M(OH)2] получаем уравнение
    24 [OH]4 + 3 [OH]3 – 1 [OH] – 2 = 0, (28)
    приближенное решение которого с использованием метода Ньютона и констант i позволяет найти оптимальные значения [OH]opt и затем smin по формуле (25) [6, 7].

    Пример 17. С учетом образования гидроксокомплексов рассчитать рН наиболее полного осаждения, минимальную и собственную растворимость в водно-щелочной среде стабильной модификации  – Zn (OH)2. K =
    = 3,3 10–17 [6]. Общие константы устойчивости гидроксокомплексов цинка (II):
    1 = 1,1  106, 2 = 1,3  1011, 3 = 4,0  1013, 4 = 6,3  1014.
    Решение. Упрощая уравнение (28), получим приближенное уравнение
    x(3x2 – 1) = 0,
    откуда x = [OH]  1,66  10–4 М. Уточняя методом Ньютона найденную величину [OH] в уравнении (27), получим [OH]opt = 1,67 10–4 М и рНopt =
    = 10,22. По уравнению (25) находим smin = 4,9  10–6 моль / л, или 0,5 мг / л. Мольные доли Zn2+, ZnOH+, Zn(OH)2, Zn(OH) и Zn(OH) , вычисленные по формуле типа (21), равны соответственно 0,03, 4,73, 90,45, 4,78 и 0,01 мол. %.

    Собственная растворимость гидроксида  – Zn(OH)2, определяемая равновесной молярностью нейтральных комплексов Zn(OH)2 в растворе, равна Ks2 = 4,4  10–6 моль / л, или 0,905 smin.

    Расчет растворимости – (ZnOH)2 при рН = 10,22 по формуле (13) без учета образования гидроксокомплексов дает некорректное значение 1,2 10–9 М (в 3,8  103 раз меньше).

    Оксиды как продукты реальной или условной дегидратации гидроксидов сохраняют химические свойства последних. Оснόвные оксиды щелочных и щелочноземельных металлов химически реагируют с водой, образуя растворимые гидроксиды. Амфотерные оксиды (ZnO, BeO, SnO, PbO, Al2O3, Cr2O3 и др.) в воде практически нерастворимы, реагируют с кислотами и концентрированными щелочами, полностью или заметно растворяясь. Химическая активность и растворимость аморфных оксидов выше, чем прокаленных и стабильных кристаллических оксидов. Гетерогенное химическое равновесие растворимости твердых оксидов
    МОm/2 (т) + Н2О (ж) Мm+ (р) + mOH (p) (29)
    характеризуется константой K = [Mm+] [OH]m, как и для гидроксидов.
    Пример 18. Рассчитать растворимость в чистой воде (s) и минимальную растворимость в водно-щелочной среде (smin) неактивной гексагональной формы ZnO при 25С, используя константу равновесия K = 1,5  10–17 [1]

    для реакции
    ZnO (к) + H2O (ж) = Zn2+ (р) + 2ОН (р)
    и константы устойчивости гидроксокомплексов цинка (см. пример 17).

    Решение. Как и в примере 15, решаем систему трех уравнений (26) с использованием метода Кардано для кубического уравнения. При дискриминанте D = 5,828 10–35 > 0 имеем один действительный корень Z1 = [OH] =
    = 4,78
    10–6 М, откуда рН = 8,68 и s = 6,0 10–6 М, или 0,5 мг/л. В водном растворе преобладают Zn(OH)+ (57,5 %), Zn(OH)2 (31,5 %) и Zn2+ (10,9 мол. %).

    Решая уравнение (28), находим [OH]opt = 1,67 10–4 М (см. пример 17) и затем по уравнению (25) вычисляем smin = 2,2 10–6 моль / л, или 0,2 мг ZnO / л.

    8. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА АМФОТЕРНОСТИ
    ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ
    Амфотерные гидроксиды и оксиды с химическими связями М – О, близкими по степени ионности к связи О – Н, реагируют с кислотами и щелочами, присоединяя или отдавая протоны и гидроксид-ионы, например:
    М(ОН)2 + Н+ = МОН+ + Н2О,
    М(ОН)2 + ОН = М(ОН) ,
    Н2МО2 = Н+ + НМО ,
    М(ОН)2 = МОН+ + ОН,
    МО + 2Н+ = М2+ + Н2О,
    МО + 2ОН = МО + Н2О.
    Условием амфотерности оксидов МОm/2 и гидроксидов М(ОН)m является неравенство > m, где – функция Бьеррума, или среднее лигандное число в моноядерных гидроксокомплексах при рН = 15 [6, 7] вычисляется по формуле
    = , (30)
    в которой мольные доли xi комплексов М(ОН)i определяются с использованием констант устойчивости i и [OH]. В частности, условие амфотерности > 2 выполняется для оксидов и гидроксидов Ве, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Mn – Cu [7] и не выполняется для соединений Mg – Ba [6].

    Для количественной оценки амфотерности гидроксидов и оксидов предложено в [6, 7] использовать величину отношения (А > 1) их молярных растворимостей в сильнощелочной среде с рН = 14,7 (5 М раствор NaOH) и в чистой воде (табл. 2).

    Пример 19. Оценить параметр амфотерности А неактивной гексагональной формы ZnO (K = 1,5 10–17, s = 6,0 10–6 М, см. пример 18) в водно-щелочной среде при 25С.

    Решение. Условие амфотерности ZnO и Zn(OH)2 выполнено ( =
    = 3,99 > 2). Для оценки параметра амфотерности А в виде отношения s (рН = 14,7) / s (H2O) вычислим молярную растворимость ZnO (к) в водной среде с рН = 14,7 по уравнению (25), используя [ОН] = 5 M, f (Zn2+) 
     f(OH)2  1 и константы устойчивости i, приведенные в примере 17:
    s (рН = 14,7) = 1,5  10–17 (0,04 + 2,2  105 + 1,26  1011 + 1,99  1014 +
    + 1,58  1016) = 0,24 моль / л.

    При рН = 14,7 преобладает комплекс Zn(OH) (98,8%).

    Из табл. 2 видно, что параметр амфотерности А гидроксидов М(ОН)2 изменяется в широком диапазоне. Наиболее высокая растворимость при рН = 14,7 у амфотерных гидроксидов олова (II) и цинка (0,76 и 0,52 моль / л при 25С). Согласно [2] полное растворение выпавшего осадка этих гидроксидов происходит при рН = 13,5 и 12,5, а Al(OH)3 – при рН = 10,8. Несмотря на высокие значения параметра А, растворимость гидроксидов бериллия и меди (II) в 5 М NaOH мала (1  10–3 и 0,015 моль / л) из-за низких величин K и s (табл. 2).

    Увеличение растворимости большинства амфотерных гидроксидов наблюдается при нагревании и повышении концентрации щелочи NaOH (до 19 моль / л) или КОН (до 14 моль / л), а также в кислых средах [1, 2].
    Т а б л и ц а 2
    Рассчитанные термодинамические параметры растворения стабильных

    кристаллических гидроксидов в воде и щелочи при 25С [6, 7]


    Гидроксид

    рК

    Н2О

    NaOH

    A

    x(M2+), мол. %

    рН

    ps

    pHopt

    psmin

    Sn(OH)2

    26,20

    10–5

    7,02

    5,26

    7,11

    5,26

    1,3  105

    Pb(OH)2

    19,64

    61

    7,6

    6,61

    10,2

    8,69

    8  104

    -Zn(OH)2

    16,48

    14

    8,7

    4,82

    10,2

    5,34

    4  104

    Cu(OH)2

    19,55

    65

    7,6

    6,62

    9,9

    8,67

    6  104

    -Be(OH)2

    22,39

    2

    7,1

    6,86

    8,9

    7,89

    8  103

    Ni(OH)2

    17,20

    96

    8,4

    5,93

    10,2

    8,10

    26

    Mn(OH)2

    12,76

    84

    9,9

    4,40

    11,5

    6,36

    15

    -Co(OH)2

    15,64

    80

    8,8

    5,16

    10,9

    6,22

    13

    Fe(OH)2

    16,38

    88

    8,7

    5,62

    10,8

    8,16

    12

    -Cd(OH)2

    14,27

    83

    9,4

    4,88

    11,6

    6,40

    6

    -HgO

    25,55

    10–3

    7,02

    3,71

    8,9

    3,72

    1,6



    Библиографический список
    1. Кумок В.Н., Кулешова О.М., Карабин Л.А. Произведения растворимости. Новосибирск: Наука, 1983. 267 с.

    2. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 448 с.

    3. Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по аналитической химии. М.: Изд. МГУ, 1984. 216 с.

    4. Булатов М.И. Расчеты равновесий в аналитической химии. Л.: Химия. 1984. 184 с.

    5. Школьников Е.В. Термодинамический расчет растворимости кристаллических галогенидов и сульфидов в воде и кислых средах // Журнал прикладной химии. 2003. Т. 76. № 11. С. 1785–1787.

    6. Школьников Е.В. Термодинамический расчет растворимости твердых гидроксидов М(ОН)2 в воде и щелочных средах // Журнал прикладной химии. 2004. Т. 77. № 8.
    С. 1271–1274.

    7. Школьников Е.В. Термодинамическая характеристика амфотерности гидроксидов М(ОН)2 в водных средах // Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78. № 11. С. 1819–1823.

    8. Васильев В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов. М.: Высшая школа, 1982. 320 с.

    9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушко. М.: Наука, 1979–1981. Т. 1–4.

    Оглавление
    1. Растворимость твердых электролитов в воде 3
    2. Произведение растворимости 4
    3. Способы выражения произведения растворимости 6
    4. Растворимость осадков в присутствии общих ионов 8
    5. Растворимость осадков с учетом влияния ионной силы раствора 9
    6. Влияние конкурирующих равновесий протонирования

    и комплексообразования на растворимость осадков 11
    6.1. Влияние рН кислой водной среды 11

    6.2. Влияние гидролиза ионов осадка 16

    6.3. Влияние комплексообразования катиона 17
    7. Термодинамический расчет растворимости

    твердых гидроксидов и оксидов в воде и щелочных средах 19
    7.1. Растворимость в чистой воде 20

    7.2. Растворимость в сильнощелочной среде 21

    7.3. Минимальная растворимость амфотерных гидроксидов

    и оксидов 23
    8. Количественная оценка амфотерности гидроксидов и оксидов

    в водных средах 25
    Библиографический список 27

    Евгений Васильевич Школьников

    РАСЧЕТЫ РАСТВОРИМОСТИ
    СОЛЕЙ, ГИДРОКСИДОВ И ОКСИДОВ

    В ВОДНЫХ СРЕДАХ



    Методические указания

    по общей, неорганической и аналитической химии

    для студентов и аспирантов технологических

    и технических специальностей вузов
    1   2   3


    написать администратору сайта