§ Х-16 Добуток розчинності Kₛp, реакція «Золотий дощ» (PbI₂↓) та ефект спільного йона (9–11 клас · Добуток розчинності)
Кристалізація золотистих гексагональних лусочок плюмбум(ІІ) йодиду PbI₂↓ за умови Qₛp > Kₛp(T) та ефект спільного йона I⁻. Коли добуток концентрацій іонів у розчині перевищує термодинамічний поріг Kₛp(T), з прозорого розчину народжуються золотисті кристали PbI₂↓.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
У насиченому водному розчині малорозчинного сильного електроліту, наприклад плюмбум(ІІ) йодиду PbI₂, встановлюється гетерогенна динамічна рівновага між твердою кристалічною фазою та йонами в розчині: PbI₂(тв) ⇄ Pb²⁺(р-н) + 2I⁻(р-н). Константа цієї рівноваги називається добутком розчинності: Kₛp = [Pb²⁺][I⁻]² (8.5× 10⁻⁹ при 25 ^°C).
Якщо для довільних початкових концентрацій змішаних розчинів йонний добуток перевищує константу рівноваги (Qₛp = [Pb²⁺]₀[I⁻]₀² > Kₛp), розчин є пересиченим і з нього випадає осад PbI₂↓. Оскільки розчинність PbI₂ сильно зростає з підвищенням температури, при охолодженні гарячого прозорого розчину відбувається повільна перекристалізація у вигляді блискучих золотистих гексагональних лусочок, класична якісна реакція «золотий дощ».
Якщо до насиченого розчину PbI₂ (де власна розчинність становить S₀ = sqrt[3]Kₛp/4) додати розчинну сіль з однойменним йоном (наприклад, KI), то за принципом Ле Шательє рівновага зміщується вбік утворення осаду і розчинність катіонів плюмбуму падає обернено пропорційно квадрату концентрації йодиду: S(Pb²⁺) = (Kₛp)/([I⁻]²) ≪ S₀. Це явище називається ефектом спільного йона.
Приклад із життя
Знаменитий хімічний дослід «Золотий дощ»: гарячий розчин PbI₂ є абсолютно прозорим, але варто йому охолонути, у всьому об’ємі колби починають кружляти тисячі золотистих шестикутних сніжинок плюмбум(ІІ) йодиду, бо йонний добуток перевищує межу розчинності Kₛp!
Контрольне запитання та розв’язання
За якої умови при зливанні розчинів Pb(NO₃)₂ та KI випадає золотистий кристалічний осад PbI₂↓ («золотий дощ»), і як впливає на розчинність PbI₂ додавання надлишку солі з однойменним йоном I⁻?
- А: Осад утворюється, коли йонний добуток перевищує добуток розчинності: Qₛp = [Pb²⁺][I⁻]² > Kₛp; надлишок спільного йона I⁻ зміщує рівновагу вбік осаду й різко зменшує розчинність PbI₂
- Б: Осад утворюється лише при Qₛp < Kₛp, а додавання KI підвищує розчинність PbI₂
- В: Добуток розчинності Kₛp не залежить від температури розчину
Підказка: Осад випадає при перевищенні добутку розчинності: Qₛp = [Pb²⁺][I⁻]² > Kₛp. Додавання надлишку спільного йона I⁻ (KI) зміщує рівновагу вбік твердої фази й різко знижує розчинність PbI₂.
Доведення: У насиченому розчині малорозчинного електроліту PbI₂(тв) ⇄ Pb²⁺ + 2I⁻ добуток концентрацій іонів з урахуванням стехіометричних степенів є сталою величиною за даної температури: Kₛp = [Pb²⁺][I⁻]². Коли Qₛp > Kₛp, система є пересиченою і кристалізується золотистий осад PbI₂↓. За принципом Ле Шательє введення однойменних іонів I⁻ знижує розчинність свинцю до S = Kₛp/[I⁻]² (ефект спільного йона).
Основні формули та параметри 3D-симуляції
Qₛp = [Pb²⁺][I⁻]², S₀ = sqrt[3](Kₛp)/(4), S_спільн = (Kₛp)/(([I⁻]₀ + C_KI)²)
- Початкова концентрація катіонів плюмбуму [Pb²⁺]₀: 0.001 … 0.015 моль/л (стандарт: 0.005 моль/л)
- Концентрація йодид-іонів [I⁻]₀: 0.002 … 0.025 моль/л (стандарт: 0.01 моль/л)
- Температура розчину t (нагрівання розчиняє осад): 15 … 85 °C (стандарт: 25 °C)
- Додаток солі зі спільним йоном KI (ефект спільного йона): 0 … 0.03 моль/л (стандарт: 0 моль/л)