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16.11:

溶解性に影響する因子

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Factors Affecting Solubility

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The solubility of an ionic compound can vary depending on other solutes present in the solution. The solute may be an ion common to the compound, or an acid or base. Thus, two major factors affecting the solubility are the common ion effect and the pH of a solution. If lead(II) chloride is added to a solution of sodium chloride, both salts will ionize in the water, producing sodium and lead cations and the common anion, chloride. Because the chloride ions in solution come from both the complete ionization of sodium chloride and the partial ionization of lead(II) chloride, their concentration would be higher than that of either the sodium ions or the lead ions. To compensate, the equilibrium between the solid lead(II) chloride and its ions in solution shifts towards the undissociated salt, causing more lead(II) chloride to remain undissolved. Thus, the presence of a common ion decreases the solubility of a sparingly soluble substance. For instance, the molar solubility, x, of lead(II) chloride in a 0.100 molar sodium chloride solution can be calculated from the ICE table. The initial concentration of lead(II) ions in the solution is zero, while chloride is 0.100 molar. Each molecule of lead(II) chloride will dissociate into one lead and two chloride ions. So, the change in concentration of lead ions will be +x and that of chloride will be +2x. The equilibrium concentration of lead ions will be x, but for the chloride ions, it will be the sum of 2x and 0.100. At 25 °C, the value of Ksp for lead(II) chloride is 1.17 × 10−5, and the equilibrium expression is the product of the equilibrium concentrations of lead and chloride ions, which is x(2x + 0.100)2. Because the Ksp is small, 2x is much smaller than 0.100 molar and their sum can be approximated to 0.100 molar. Substituting into the expression yields 1.17 × 10−5 = x(0.100)2. Solving for x, the molar solubility of lead(II) chloride in 0.100 molar sodium chloride solution is 1.17 × 10−3 molar. Compared to the molar solubility of lead(II) chloride in water, which is 1.43 × 10−2 molar, the common ion decreases the solubility of lead(II) chloride 12 fold. Solubility of a compound can also be affected by the pH of the solution. Consider the partial dissociation of calcium hydroxide into calcium ions and hydroxide. If the pH is increased, by adding potassium hydroxide for example, the common hydroxide ion will lower the solubility of calcium hydroxide. Conversely, if the pH is decreased, for example by adding hydrochloric acid, the protons will combine with hydroxide ions, lowering the concentration of hydroxide ions in solution. The solubility equilibrium of calcium hydroxide would then shift towards the products, leading to an increased solubility in an acidic solution.

16.11:

溶解性に影響する因子

イオン性化合物の溶解度は、純水に比べて共通イオン(イオン性化合物の溶解により生成されるイオン)を含む水溶液では小さくなります。これは共通イオン効果と呼ばれる現象の一例で、質量作用の法則の結果をルシャトリエの原理で説明することができます。ヨウ化銀の溶解を例に考えよう。

Eq1

この溶解度の平衡は、銀イオンやヨウ化物イオンの添加によって左にシフトします。その結果、AgIが析出し、溶解したAg+やIの濃度が低下します。これらのイオンがすでに含まれている溶液では、これらのイオンが含まれていない溶液よりもAgIの溶解量が少なくなります。

この効果は、溶解度積の式に代表されるように、質量作用の観点からも説明できます。

Eq2

銀イオンとヨウ化物イオンのモル比の積は、イオンの供給源にかかわらず平衡混合物では一定であるため、一方のイオンの濃度が増加すると、それに反比例してもう一方のイオンが減少することでバランスをとる必要があります。

廃水処理における沈殿反応の役割

溶解平衡は、市や町の水道水を処理する施設で行われる廃水処理に有効な手段です。具体的には、自然の水域に戻す前に、廃水から汚染物質を除去するために選択的沈殿が用いられます。例えば、製造施設から排出される水には、リン酸イオン(PO43−)が多く含まれています。リン酸イオンが多いと、藻類が過剰に繁殖し、海洋生物が利用できる酸素量に影響を与えるほか、人間の消費にも適さない水になってしまいます。

水からリン酸塩を除去する一般的な方法は、水酸化カルシウムまたは石灰(Ca(OH)2)を加えることです。水が塩基性になると、カルシウムイオンがリン酸イオンと反応してヒドロキシルアパタイト(Ca5(PO4)3·OH)が生成され、これが溶液中に沈殿します。

Eq3

新たに加えたしたカルシウムイオンの量が、他のカルシウム塩の溶解度積を超えないため、それらの塩の陰イオンが排水中に残ます。この沈殿物をろ過して除去し、CO2を添加して再炭酸化することで、水のpHを中性に戻す。沈殿によるリン酸塩の除去には、塩化鉄(III)や硫酸アルミニウムなど、他の化学物質も使用できます。

 上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Section 15.1: Precipitation and Dissolution.

Leitura Sugerida

  1. Koubek, E. "Demonstration of the Common Ion Effect." Journal of chemical education 70, no. 2 (1993): 155.
  2. Amaral, L. F., I. R. Oliveira, R. Salomão, E. Frollini, and V. C. Pandolfelli. "Temperature and common-ion effect on magnesium oxide (MgO) hydration." Ceramics International 36, no. 3 (2010): 1047-1054.
  3. Cassens, Jan, Anke Prudic, Feelly Ruether, and Gabriele Sadowski. "Solubility of pharmaceuticals and their salts as a function of pH." Industrial & Engineering Chemistry Research 52, no. 7 (2013): 2721-2731.