Iloczyn rozpuszczalności soli

METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T3: Iloczyn rozpuszczalności soli
ILOCZYN ROZPUSZCZALNOŚCI SOLI
opracował dr inż. Tomasz Ratajczak
na podstawie instrukcji Drzymały (2016)
1. WSTĘP
Wody występujące w przyrodzie oraz w procesach technologicznych z reguły zawierają
rozpuszczone w niej sole. Tylko woda wielokrotnie oczyszczana może zawierać wyłącznie
cząsteczki H2O. W wodach naturalnych występują substancje, które podano w tabeli 1. NDS
oznacza najwyższe dopuszczalne stężenie związku chemicznego dla zdrowia.
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Tabela 1. Główne zanieczyszczenia wód, źródła zanieczyszczeń oraz ich NDS
(Skinder, 1995)
Rodzaj zanieczyszczenia
(NDS)
Źródło zanieczyszczenia
chemicznego
Detergenty (inaczej środki
gospodarstwa domowe, pralnie,
powierzchniowo czynne lub
0,20,5 ppm
flotacje przemysłowe
tensydy)
Pestycydy
0,02 ppm
-fosforoorganioczne
rolnictwo, leśnictwo
-polichlorowęglowodorowe
0,030,05 ppm
Policykliczne węglowodory
asfalt, petrochemia, przeróbka węgla,
0,002 ppm
aromatyczne
sadza, smary, papa, dym papierosowy
płyny hydrauliczne, transformatory,
Polichloropochodne bifenylu
brak danych
farb, lakiery, tworzywa sztuczne,
konserwanty drewna
przem. barwników, tworzyw sztuczn.
Aminy aromatyczne
brak danych
gumowy, farmaceutyczny
ścieki , koksownie, rafinerie, garbniki,
Fenole
0,20 ppm
barwniki, tworzywa sztuczne
Związki metali ciężkich
Hg
0,001 ppm
metalurgia, górnictwo, hutnictwo,
Cd, Cr, Se, As, Ni,
0,05 ppm
nawozy fosforowe (Cd), galwanizacja,
Pb, Mn,
0,1ppm
spalanie, przemysł zbrojeniowy
Cu, Fe
0,5 ppm
nawozy mineralne, substancje
Azotany(V) (NO3 )
10 ppm
białkowe
Związki fosforu
brak danych
detergenty, pestycydy, nawozy fekalia
Radioizotopy
elektrownie jądrowe, przemysł
226 Ra
111mBq/dm3
zbrojeniowy
90 Sr
370mBq/dm3
Wody naturalne, zwłaszcza wody mórz i oceanów, zawierają dużo soli nieorganicznych.
Wody słone stanowią około 69% wód w przyrodzie. Zawartości jonów w wodzie morskiej
podano w tabeli 2.
1/4
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T3: Iloczyn rozpuszczalności soli
Tabela 2. Przykładowe zawartości jonów w wodzie
morskiej i słodkiej. Według CRC (1986/87)
Zawartość [mg/dm3]
Jony
woda morska
+
Na
1,05·104
+
K
3,80·102
Mg2+
1,35·103
2+
Ca
4,00·102
Cl
1,9·104
S
8,85·102
C
2,80·101
Rozpuszczaniu substancji w wodzie towarzyszą efekty cieplne. Roztwór wodny może
obniżać, podwyższać lub nie zmieniać swojej temperatury w wyniku rozpuszczania w nim
substancji. Rozpuszczaniu towarzyszą efekty endotermiczne lub egzotermiczne. Reakcja
egzotermiczna polega na wydzielaniu się ciepła z układu podczas reakcji, gdy reakcja
endotermiczna prowadzi do pochłaniania ciepła. W wyniku zmiany temperatury układu
następuje w nim przesunięcie stanu równowagi reakcji chemicznej. O kierunku tych zmian
mówi jakościowo reguła Le Chateliera-Brauna. Według niej, gdy warunki układu
znajdującego się w stanie równowagi ulegają zmianie, położenie równowagi przesuwa się w
takim kierunku, jakby dążyło do przywrócenia pierwotnych warunków. Jeżeli reakcja
zapisana ogólnie jako:
AB = A+ + B(H° = -12 kJ)
(1)
jest jak napisano reakcją egzotermiczną, to obniżanie temperatury układu powoduje
przesuwanie stanu równowagi w prawo, gdyż układ stara się o dostarczanie ciepła, które jest
odbierane przez obniżanie temperatury. Gdyby reakcja (1) była endotermiczna, wtedy
obniżanie temperatury powodowałoby przesuwanie się stanu równowagi w lewo.
W równaniu 1 H° oznacza standardową entalpię reakcji. Jeżeli układ oddaje ciepło to H°
jest ujemne (bo układ traci ciepło).
Efekty termiczne reakcji chemicznych i procesów opisuje termodynamika chemiczna.
Najczęściej używaną funkcją termodynamiczną stosowaną do opisu efektów
termodynamicznych jest właśnie entalpia (H). Podaje się ją w postaci zmian tej funkcji czyli
H° gdzie symbol  oznacza zmianę (przyrost) a symbol o stan standardowy. Zmiana
entalpii w czasie reakcji jest równa zmianie entalpii składników układu biorących udział
w reakcji i wyraża się ją przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Entalpię egzotermicznej reakcji
chemicznej (H°)reakcji można opisać za pomocą równania:
(Ho)reakcji= (Hof)produktów - (Hof)substratów
(2)
o
gdzie (H f) oznacza standardowe entalpie tworzenia indywiduów chemicznych.
Dane termodynamiczne reakcji chemicznych można obliczyć w oparciu o dane, które
można znaleźć w tablicach. W tabeli 3 podano przykładowe wartości (H°), a także innej
funkcji termodynamicznej zwanej entalpią swobodną (G°f).
Tabela 3. Przykładowe wartości standardowych wartości entalpii (H°) i entalpii swobodnej
(G°) tworzenia indywiduów chemicznych w temperaturze 298K (CRC, 1986/87)
Substancja
Stan skupienia
Hof,298, kJ/mol
Gof,298, kJ/mol
NaCl(s)
ciało stałe
-411,15
-384,15
Na+(aq)
jon w fazie wodnej
-240,12
-261,89
Cl-(aq)
jon w fazie wodnej
-167,16
-131,26
MgCl2(s)
ciało stałe
-641,3
-591,8
CaCl2(s)
ciało stałe
-795,8
-748,1
2/4
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T3: Iloczyn rozpuszczalności soli
Mg2+(aq)
Ca2+(aq)
H+(aq)
HCl(g)
KCl(s)
K+(aq)
jon w fazie wodnej
jon w fazie wodnej
jon w fazie wodnej
gaz
ciało stałe
jon w fazie wodnej
-466,9
-542,8
0
-92,3
-436,75
-252,38
-454,8
-553,5
0
-95,3
-409,15
-283,26
Rozpuszczanie soli w wodzie przy stałej temperaturze roztworu wodnego następuje do
pewnego momentu, gdy iloczyn stężenia jonów zaczyna przekraczać pewną wartość zwaną
iloczynem rozpuszczalności. Iloczyn rozpuszczalności soli można wyznaczyć
eksperymentalnie, ale także można obliczyć w oparciu o wspomnianą funkcję
termodynamiczną zwaną entalpią swobodną lub potencjałem termodynamicznym Gibbsa. Jest
to możliwe ponieważ:
(Go)reakcji= (Gof)produków - (Gof)substratów
(3)
oraz że:
(Go)reakcji = -RT ln K
(4)
gdzie:
R= 8,3143 J/(mol K)
T=298.15K
RT= 2,4789 kJ/mol.
Dla reakcji rozpuszczania, zapisanej ogólnie jako:
MmXn(s) = mMn+(aq) + nXm-(aq)
(Go)reakcji= mGof (Mn+(aq)) + nGof (Xm-(aq))- Gof (MmXn,s)
(5)
(6)
oraz
ln K= - (Go)reakcji/ RT
(7)
Należy pamiętać, że wyrażenie na stałą równowagi reakcji K zapisanej równaniem 5 ma
postać:
K =(cMn+(aq))m (cXm-(aq))n /(cMmXn,s)
(8)
gdzie c oznacza stężenie w kmol/m3.
Jeżeli obliczenia dotyczą soli, które mają ograniczoną rozpuszczalność w wodzie, podane
równania pozwalają na obliczenie iloczynu rozpuszczalności soli, gdyż aktywność soli
w postaci substancji stałej w wodzie wynosi 1.
ln K= ln Ir =- (Go)reakcji/ RT
(9)
Przykładowe obliczenie iloczynu rozpuszczalności KCl w wodzie i ciepła rozpuszczania,
dla KCl = K+ + Cl-. (G°)reakcji rozpuszczania w wodzie = - 5,37 kJ/ mol, co daje K = 8,76 = Ir, bo
stężenie stałego KCls (stałego) w wodzie = 1. Z kolei (H°)reakcji = +17,21 kJ/mol.
3/4
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T3: Iloczyn rozpuszczalności soli
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
Iloczyn rozpuszczalności
Do probówki wlej 10 cm3 1M roztworu CaCl2. Następnie dodaj do niej 1 cm3 1M H2SO4.
Zamieszaj dobrze zawartość probówki bagietką. Zobacz czy w roztworze pojawił się biały
osad. Jeżeli nie, to dodaj następną porcję (0,5 cm3) 1M H2SO4. Dodawaj roztwór kwasu
siarkowego po kropelce tak długo, aż nie wystąpi trwałe zmętnienie roztworu. Dla tego
momentu doświadczenia oblicz stężenie CaCl2 oraz H2SO4 w roztworze w probówce. Zapisz
reakcję prowadząca do tworzenia siarczanu wapnia i oblicz iloczyn rozpuszczalności
siarczanu wapnia.
Obliczenia termodynamiczne
W oparciu o tabelę 3 oblicz ciepło rozpuszczania NaCl, HCl i MgCl2 w wodzie. Zapisz
zachodzące reakcje chemiczne. Oblicz stałą równowagi termodynamicznej reakcji
rozpuszczania oraz iloczyn rozpuszczalności NaCl i MgCl2.
3. BIBLIOGRAFIA
Drzymała J., 2016. Instrukcja do ćwiczeń: Właściwości wodnych roztworów
soli,
http://www.minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/pdf/ChemiaLab/labChem14.pdf,
dostęp:
6.02.2016r.)
Skinder N. W., 1995. Chemia a ochrona środowiska, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne,
Warszawa.
CRC, 1986/87. Handbook of Chemistry and Physics, 67th Edition, CRC Press, Boca Raton,
Florida, USA, E-119-E-124.
4/4