从 Ksp 计算溶解度:HSC 化学
学习如何利用配平的溶解方程式、离子比例和平衡浓度,从 Ksp 计算莫耳溶解度。包含完整例题与具挑战性的 HSC 风格问题。
有一道题目告诉你,氟化钙的 \(K_{sp}=3.9\times10^{-11}\),并要求你计算它的溶解度。一个很诱人的做法是直接写下 \(3.9\times10^{-11}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),然后继续下一题。
在继续阅读之前先预测一下:这真的是它的溶解度吗?
不是。\(K_{sp}\) 是由离子的平衡浓度所构成,而不是直接由溶解的固体量所决定。对氟化钙而言,每溶解一摩尔固体,就会产生一摩尔钙离子和两摩尔氟离子。这个 \(1:2\) 的比例会彻底改变计算方式。
关键技巧是把配平后的溶解方程式转换成离子浓度。
01从一个溶解的化学式单位到离子浓度
先从氟化钙开始:
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
假设它的莫耳溶解度为 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。这表示每公升饱和溶液中会溶解 \(s\) 摩尔的 \(\ce{CaF2}\)。
配平后的方程式因此告诉我们:
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s \]
以及
\[ [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
可以把每一个 \(\ce{CaF2}\) 化学式单位想像成一名学生带著两位朋友一起到达。如果有 \(s\) 组到达,就会得到 \(s\) 的钙离子和 \(2s\) 的氟离子。
这个比喻到此为止。溶解之后,这些离子并不是以三个一组的小团体四处移动。配平方程式只告诉我们它们产生时的比例。

这个第一个模型假设水中原本没有钙离子或氟离子。稍后我们会取消这个假设。
02\(K_{sp}\) 实际上衡量的是甚么
对于微溶的离子固体,溶解最终会达到动态平衡。离子仍持续离开固体并重新加入固体,但它们的平衡浓度保持不变。
对氟化钙而言,
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
其溶度积表达式为
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
固体 \(\ce{CaF2}\) 不会出现在表达式中。只要纯固体仍然存在,它的活度实际上可视为常数,因此其含量不会以浓度项的形式包括在内。
现在代入由溶解 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 所产生的浓度:
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此
\[ s=\sqrt[3]{\frac{K_{sp}}{4}} \]
这就是为甚么 \(K_{sp}\) 本身并不是溶解度。
系数有两种不同的作用
这是最容易失分的地方之一。
在
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
中,系数 \(2\) 告诉你
\[ [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
但它同时也会成为 \(K_{sp}\) 表达式中的指数:
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
因此,计算中同时包含这两部分:
\[ K_{sp}=s(2s)^2 \]
如果只使用 \(s^3\),或使用 \(s(2s)\),都会漏掉一部分化学关系。
03把 \(K_{sp}\) 转换成溶解度的可靠方法
对于纯水中的饱和溶液,在没有重要副反应的情况下:
- 写出配平后的溶解方程式。
- 设莫耳溶解度为 \(s\)。
- 利用系数,把每种平衡离子浓度以 \(s\) 表示。
- 写出 \(K_{sp}\) 表达式。
- 代入离子浓度。
- 解出 \(s\)。
- 只有在题目要求时,才转换成其他单位,例如 \(\mathrm{g\,L^{-1}}\)。
有一些常见形式值得辨认。
| 溶解形式 | 由溶解度 \(s\) 产生的浓度 | \(K_{sp}\) 关系 |
|---|---|---|
| \(\ce{MX(s) <=> M(aq) + X(aq)}\) | \(s,\ s\) | \(K_{sp}=s^2\) |
| \(\ce{MX2(s) <=> M(aq) + 2X(aq)}\) | \(s,\ 2s\) | \(K_{sp}=4s^3\) |
| \(\ce{M2X(s) <=> 2M(aq) + X(aq)}\) | \(2s,\ s\) | \(K_{sp}=4s^3\) |
| \(\ce{M2X3(s) <=> 2M(aq) + 3X(aq)}\) | \(2s,\ 3s\) | \(K_{sp}=108s^5\) |
不要用死记这张表来取代使用方程式。配平后的方程式更可靠,因为即使遇到不熟悉的化学计量关系,也永远可以从基本原理重新建立。
例题:1:1 盐的溶解度
在题目所述温度下,\(\ce{AgCl}\) 饱和溶液的 \(K_{sp}=1.8\times10^{-10}\)。计算它的莫耳溶解度,以及以 \(\mathrm{g\,L^{-1}}\) 表示的溶解度。\(\ce{AgCl}\) 的莫耳质量为 \(143.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
步骤 1
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)} \]
步骤 2
一摩尔 \(\ce{AgCl}\) 会产生一摩尔的每种离子,因此
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]=s,\qquad [\mathrm{Cl}^{-}]=s \]
步骤 3
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}]=s^2 \]
因此,
\[ 1.8\times10^{-10}=s^2 \]
步骤 4
\[ s=\sqrt{1.8\times10^{-10}} =1.34\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步骤 5
\[ \begin{aligned} \text{质量溶解度} &=(1.34\times10^{-5})(143.3)\\ &=1.92\times10^{-3}\ \mathrm{g\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,在这些条件下,每公升只会溶解约 \(1.92\ \mathrm{mg}\) 的 \(\ce{AgCl}\)。
这里的重要特点是 \(1:1\) 的溶解比例。即使在这个最简单的情况下,\(K_{sp}\neq s\);而是 \(K_{sp}=s^2\)。
例题:其中一种离子产生两倍时
假设在题目所述温度下,\(\ce{CaF2}\) 的 \(K_{sp}=3.9\times10^{-11}\)。计算它在纯水中的莫耳溶解度和质量溶解度。\(\ce{CaF2}\) 的莫耳质量为 \(78.07\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。忽略其他平衡。
步骤 1
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
步骤 2
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s,\qquad [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
步骤 3
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
代入后得到
\[ 3.9\times10^{-11}=s(2s)^2=4s^3 \]
步骤 4
\[ \begin{aligned} s^3&=\frac{3.9\times10^{-11}}{4}\\ &=9.75\times10^{-12} \end{aligned} \]
因此,
\[ s=2.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
注意,溶解度在数值上比 \(K_{sp}\) 大数百万倍。它们是不同的量,两者透过溶解反应的化学计量关系相连。
步骤 5
\[ \begin{aligned} \text{质量溶解度} &=(2.14\times10^{-4})(78.07)\\ &=1.67\times10^{-2}\ \mathrm{g\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,在饱和状态下,每公升溶液含有约 \(0.0167\ \mathrm{g}\) 的已溶解 \(\ce{CaF2}\)。
04最诱人的错误捷径
较小的 \(K_{sp}\) 通常表示物质较难溶,但你不能只比较两种盐的 \(K_{sp}\) 数值,就安全地判断它们的溶解度大小。
假设盐 A 以 \(1:1\) 溶解:
\[ \ce{MX(s) <=> M(aq) + X(aq)} \]
那么
\[ K_{sp}=s^2 \]
但盐 B 以 \(1:2\) 溶解:
\[ \ce{MY2(s) <=> M(aq) + 2Y(aq)} \]
因此
\[ K_{sp}=4s^3 \]
相同的莫耳溶解度会产生完全不同的 \(K_{sp}\) 数值,因为它们的平衡表达式具有不同次方。
所以判断原则很简单:只有在利用各自的配平溶解方程式把每个 \(K_{sp}\) 转换成莫耳溶解度之后,才能比较莫耳溶解度。
另外还有几个常见陷阱值得留意。
| 诱人的做法 | 为甚么会失败 |
|---|---|
| 设 \(s=K_{sp}\) | \(K_{sp}\) 是平衡离子浓度的乘积。 |
| 把每种离子浓度都写成 \(s\) | 溶解方程式中的系数可能会产生 \(2s\)、\(3s\) 等。 |
| 只把系数用作指数 | 在代入之前,系数也决定离子浓度。 |
| 把固体包括在 \(K_{sp}\) 表达式中 | 纯固体不包括在平衡表达式中。 |
| 只根据 \(K_{sp}\) 排列不同盐的溶解度 | 不同的溶解化学计量关系会使 \(K_{sp}\) 与 \(s\) 之间具有不同的数学关系。 |
05甚么时候 \([\text{离子}]=\text{系数}\times s\) 已经不够
到目前为止,每个计算都是从纯水开始。
现在想像把 \(\ce{CaF2}\) 溶解在一个已经含有来自可溶性 \(\ce{NaF}\) 的 \(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 氟离子的溶液中。
如果再有 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{CaF2}\) 溶解,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s \]
但氟离子浓度并不是 \(2s\)。它是
\[ [\mathrm{F}^{-}]=0.0100+2s \]
因此,
\[ K_{sp}=s(0.0100+2s)^2 \]
配平后的方程式没有改变。改变的是起始浓度。
这就是同离子效应:加入原本已存在于溶解平衡中的离子,通常会减少固体可溶解的量。
当溶液混合时,还有另一个重要区别。\(K_{sp}\) 描述的是饱和平衡。离子积
\[ Q_{sp} \]
使用相同的表达式,但代入的是目前实际存在的浓度。
- 如果 \(Q_{sp}K_{sp}\),则会有利于沉淀,直到离子浓度下降。
如果你对判断是否会形成沉淀仍不熟悉,可以复习 HSC 化学的溶解度规则与沉淀测试。
06问题与解答
问题 1
在某一特定温度下,\(\ce{PbSO4}\) 的 \(K_{sp}=1.6\times10^{-8}\)。
\[ \ce{PbSO4(s) <=> Pb^2+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
计算它在纯水中的莫耳溶解度。假设没有其他显著的平衡。
解答 1
莫耳溶解度为 \(1.3\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
设莫耳溶解度为 \(s\)。溶解方程式为 \(1:1\),所以
\[ [\mathrm{Pb}^{2+}]=s,\qquad [\ce{SO4^2-}]=s \]
溶度积表达式为
\[ K_{sp}=[\mathrm{Pb}^{2+}][\ce{SO4^2-}] \]
因此,
\[ \begin{aligned} 1.6\times10^{-8}&=s^2\\ s&=\sqrt{1.6\times10^{-8}}\\ &=1.26\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
取两位有效数字,
\[ s=1.3\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
很诱人的错误是把答案写成 \(1.6\times10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。这个数值是 \(K_{sp}\),不是已溶解 \(\ce{PbSO4}\) 的浓度。
问题 2
铬酸银依照下式溶解:
\[ \ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)} \]
在某一特定温度下,\(K_{sp}=1.10\times10^{-12}\)。
计算:
- \(\ce{Ag2CrO4}\) 在纯水中的莫耳溶解度,
- \(\mathrm{Ag}^{+}\) 的平衡浓度,以及
- \(250.0\ \mathrm{mL}\) 饱和溶液中所溶解的 \(\ce{Ag2CrO4}\) 质量。
使用莫耳质量 \(331.7\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 2
莫耳溶解度为 \(6.50\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),银离子浓度为 \(1.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \(250.0\ \mathrm{mL}\) 中溶解了 \(5.39\times10^{-3}\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{Ag2CrO4}\)。
设莫耳溶解度为 \(s\)。
由
\[ \ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)} \]
可得
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]=2s,\qquad [\ce{CrO4^2-}]=s \]
平衡表达式为
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ag}^{+}]^2[\ce{CrO4^2-}] \]
所以
\[ \begin{aligned} 1.10\times10^{-12} &=(2s)^2(s)\\ &=4s^3 \end{aligned} \]
因此
\[ \begin{aligned} s&=\sqrt[3]{\frac{1.10\times10^{-12}}{4}}\\ &=6.50\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
银离子浓度是其两倍:
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] =2(6.50\times10^{-5}) =1.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
现在计算 \(0.2500\ \mathrm{L}\) 中溶解了多少摩尔固体:
\[ \begin{aligned} n&=cV\\ &=(6.50\times10^{-5})(0.2500)\\ &=1.63\times10^{-5}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此,
\[ \begin{aligned} m&=nM\\ &=(1.63\times10^{-5})(331.7)\\ &=5.39\times10^{-3}\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
陷阱是把两种离子的浓度都设为 \(s\)。溶解后的银离子数量是铬酸根离子的两倍。
问题 3
在相同温度下研究两种假想的盐。
盐 A 依照下式溶解:
\[ \ce{MX(s) <=> M^2+(aq) + X^2-(aq)} \]
并且
\[ K_{sp}=1.0\times10^{-8} \]
盐 B 依照下式溶解:
\[ \ce{MY2(s) <=> M^2+(aq) + 2Y^-(aq)} \]
并且
\[ K_{sp}=3.2\times10^{-11} \]
一名学生声称,盐 A 一定具有较大的莫耳溶解度,因为它的 \(K_{sp}\) 大超过 300 倍。
判断实际上哪一种盐具有较大的莫耳溶解度,并计算每种饱和溶液所产生的溶解离子总浓度。
解答 3
盐 B 的莫耳溶解度较大:\(2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而盐 A 为 \(1.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
对盐 A 而言,溶解比例为 \(1:1\):
\[ K_{sp}=s^2 \]
所以
\[ \begin{aligned} s_A&=\sqrt{1.0\times10^{-8}}\\ &=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
每一个溶解的化学式单位总共会产生两个离子。因此,离子浓度总和为
\[ 2s_A=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
对盐 B 而言,
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=s,\qquad [\mathrm{Y}^{-}]=2s \]
而且
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此,
\[ \begin{aligned} 3.2\times10^{-11}&=4s_B^3\\ s_B^3&=8.0\times10^{-12}\\ s_B&=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
盐 B 每一个溶解的化学式单位会产生三个离子,所以总离子浓度为
\[ 3s_B=6.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,即使盐 B 的 \(K_{sp}\) 小得多,它的莫耳溶解度仍是盐 A 的两倍。
这名学生的论点之所以看起来合理,是因为对具有相同溶解化学计量关系的盐而言,较大的 \(K_{sp}\) 的确对应较大的莫耳溶解度。他忽略的条件是,这两种盐具有不同的平衡表达式。
问题 4
在某一特定温度下,氟化钙具有
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-11} \]
首先在纯水中制备一份饱和 \(\ce{CaF2}\) 溶液,并让过量固体存在。然后透过过滤把固体完全移除。
取 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的这份饱和滤液,与 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{NaF}\) 混合。
假设体积可相加,而且没有其他显著的平衡。
判断:
- 混合后 \(\ce{CaF2}\) 是否会沉淀,
- 发生任何沉淀之后,\(\mathrm{Ca}^{2+}\) 的近似平衡浓度,以及
- 刚混合后存在的钙离子中,有多少百分比在平衡时仍保持溶解。
解答 4
\(\ce{CaF2}\) 会沉淀,最终的 \([\mathrm{Ca}^{2+}]\) 约为 \(4.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而刚混合后存在的钙中,只有约 \(0.371\%\) 在平衡时仍保持溶解。
首先求原本饱和 \(\ce{CaF2}\) 溶液的莫耳溶解度。
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
设原本的莫耳溶解度为 \(s\):
\[ 4.00\times10^{-11}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此,
\[ \begin{aligned} s^3&=1.00\times10^{-11}\\ s&=2.15\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
混合前,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=2.15\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
而
\[ [\mathrm{F}^{-}]=4.31\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
等体积混合会使这些浓度减半。刚混合后、沉淀发生之前,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] =\frac{2.15\times10^{-4}}{2} =1.08\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
原先来自 \(\ce{CaF2}\) 的氟离子浓度变为
\[ 2.15\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaF}\) 在混合时也会减半,得到
\[ 0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
的氟离子。
因此,刚混合后的氟离子总浓度为
\[ [\mathrm{F}^{-}] =0.0100+2.15\times10^{-4} =0.010215\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
现在计算 \(Q_{sp}\):
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2\\ &=(1.08\times10^{-4})(0.010215)^2\\ &=1.12\times10^{-8} \end{aligned} \]
这远大于
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-11} \]
所以一定会发生沉淀。
对最终平衡,设
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=c \]
大部分氟离子来自 \(\ce{NaF}\),所以第一个近似是
\[ [\mathrm{F}^{-}]\approx0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
那么
\[ \begin{aligned} 4.00\times10^{-11} &=c(0.0100)^2\\ c&=\frac{4.00\times10^{-11}}{1.00\times10^{-4}}\\ &=4.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
这个近似非常好,因为与这些剩余钙离子相对应的氟离子浓度只有
\[ 2c=8.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
与 \(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 相比非常小。
因此,剩余钙的比例为
\[ \frac{4.00\times10^{-7}}{1.08\times10^{-4}} =3.71\times10^{-3} \]
也就是
\[ 0.371\% \]
一个很诱人的做法是在混合后重新计算 \(\ce{CaF2}\) 在纯水中的溶解度。这忽略了 \(\ce{NaF}\) 已经提供的大量氟离子浓度。同离子使容许存在的钙离子浓度降低了数百倍。
问题 5
一种假想盐 \(\ce{MX2}\) 依照下式溶解:
\[ \ce{MX2(s) <=> M^2+(aq) + 2X^-(aq)} \]
在固定温度下,
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-9} \]
而 \(\ce{MX2}\) 的莫耳质量为 \(150.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
制备两份各 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的饱和 \(\ce{MX2}\) 溶液样本。
烧杯 A 持续与超过 \(0.0600\ \mathrm{g}\) 的未溶解 \(\ce{MX2}\) 接触。
烧杯 B 经过过滤,使所有固体都被移除。
接著,两份样本都用纯水稀释至总体积 \(500.0\ \mathrm{mL}\)。
判断:
- 烧杯 A 在重新建立平衡后的最终 \([\mathrm{M}^{2+}]\) 和 \([\mathrm{X}^{-}]\),
- 烧杯 B 刚稀释后的最终浓度和 \(Q_{sp}\),
- 接著把 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 的固体 \(\ce{MX2}\) 加入烧杯 B 时会发生甚么,包括其最终离子浓度,以及
- 必须向稀释后的烧杯 B 总共加入多少质量的 \(\ce{MX2}\),才能刚好达到饱和。
一名学生主张:「只要向烧杯 B 加入任何固体,溶液就一定必须满足 \(Q_{sp}=K_{sp}\)。」利用你的计算评估这个说法。
解答 5
烧杯 A 会回到 \([\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 和 \([\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\);稀释后的烧杯 B 仍然未饱和;第一次加入 B 的 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 会完全溶解;而要让稀释后的烧杯 B 达到饱和,总共必须加入 \(0.0600\ \mathrm{g}\)。
首先计算饱和状态下的莫耳溶解度。
对
\[ \ce{MX2(s) <=> M^2+(aq) + 2X^-(aq)} \]
设莫耳溶解度为 \(s\):
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此,
\[ \begin{aligned} 4.00\times10^{-9}&=4s^3\\ s^3&=1.00\times10^{-9}\\ s&=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
所以饱和溶液具有
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
对烧杯 A 而言,稀释起初会降低两种离子的浓度。这使 \(Q_{sp}<K_{sp}\),因此原本已经在烧杯中的固体会溶解更多。
当平衡重新建立后,
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
再次成立。
这需要有足够的额外固体可以溶解。最终的 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 饱和溶液含有
\[ (1.00\times10^{-3})(0.5000) =5.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解化学式单位。
原本的 \(0.1000\ \mathrm{L}\) 样本含有
\[ (1.00\times10^{-3})(0.1000) =1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
因此,还必须再溶解
\[ 4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
其质量为
\[ \begin{aligned} m&=nM\\ &=(4.00\times10^{-4})(150.0)\\ &=0.0600\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
题目指出烧杯 A 含有多于这个质量的固体,因此有足够的固体可用。
烧杯 B 的情况不同,因为它的固体在稀释之前已经被移除。
从 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 稀释至 \(500.0\ \mathrm{mL}\),体积增加为五倍。因此,
\[ [\mathrm{M}^{2+}] =\frac{1.00\times10^{-3}}{5} =2.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}] =\frac{2.00\times10^{-3}}{5} =4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
其离子积为
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=[\mathrm{M}^{2+}][\mathrm{X}^{-}]^2\\ &=(2.00\times10^{-4})(4.00\times10^{-4})^2\\ &=3.20\times10^{-11} \end{aligned} \]
这小于
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-9} \]
所以烧杯 B 是未饱和的。
这并不矛盾。\(K_{sp}\) 并不会神奇地强迫每一份溶液都满足 \(Q_{sp}=K_{sp}\)。当 \(Q_{sp}<K_{sp}\) 时,如果有固体存在,就可以再溶解更多固体。在已过滤的烧杯 B 中,一开始并没有固体。
现在加入 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{MX2}\)。
加入的物质的量为
\[ \begin{aligned} n&=\frac{m}{M}\\ &=\frac{0.0300}{150.0}\\ &=2.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
加入固体之前,烧杯 B 已经含有
\[ 1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解 \(\ce{MX2}\) 化学式单位。如果所有新加入的固体都溶解,已溶解的总量会变成
\[ 3.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
分布在 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 中。
这会得到
\[ [\mathrm{M}^{2+}] =\frac{3.00\times10^{-4}}{0.5000} =6.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}] =1.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
检查这个假设状态是否仍然未饱和:
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=(6.00\times10^{-4})(1.20\times10^{-3})^2\\ &=8.64\times10^{-10} \end{aligned} \]
由于
\[ 8.64\times10^{-10}<4.00\times10^{-9} \]
所以全部 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 都会溶解。不会有固体留下。
最后,一份饱和的 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 溶液需要
\[ 5.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解 \(\ce{MX2}\)。稀释后的已过滤溶液一开始有
\[ 1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
因此还需要
\[ 4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的 \(\ce{MX2}\)。
所以必须加入的总质量为
\[ \begin{aligned} m&=(4.00\times10^{-4})(150.0)\\ &=0.0600\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
这名学生的说法并不成立,因为只加入一些固体并不能保证仍会有固体存在。如果溶液的未饱和程度足够大,加入的固体可以完全溶解,而 \(Q_{sp}\) 仍然低于 \(K_{sp}\)。
关键在于可用物质的量。\(K_{sp}\) 告诉你饱和条件;它不会凭空产生原本不存在的额外溶质。
07这项计算接下来能让你做到甚么
核心步骤始终相同:利用配平后的溶解方程式,把溶解的化学式单位数量与出现在 \(K_{sp}\) 中的离子浓度连结起来。
在纯水中,这通常会产生像 \(s^2\)、\(4s^3\) 或 \(108s^5\) 这样简洁的表达式。一旦题目加入同离子、稀释或混合,相同的物质衡算方法仍然适用,但你必须追踪溶液原本已含有甚么,而不能自动把每个浓度都替换成 \(s\) 的倍数。
这会直接延伸到同时利用 \(Q_{sp}\) 和 \(K_{sp}\) 判断沉淀会形成、溶解,还是维持不变。若想看另一个把溶解度用作分离工具的例子,苏铁果实去毒:溶解度与重复萃取 追踪了已溶解物质反复重新分配到新鲜溶剂时所发生的情况。其平衡模型不同,但有用的习惯相同:准确追踪甚么可以溶解、有多少物质存在,以及它去了哪里。