用 Ksp 预测沉淀:HSC 化学
学习如何利用离子浓度、Qsp 和 Ksp,预测溶液混合后是否会形成沉淀。内容包括完整例题与具挑战性的 HSC 类型问题。
两种澄清溶液各自都可以完全稳定,但一混合就立刻变得混浊。最明显的解释是形成了难溶性盐。不过,更精确的 HSC 问题是:溶液中实际上是否有足够的各种离子,使沉淀能够形成?
假设混合后的溶液含有 \([\mathrm{Ag}^{+}] = 1.0 \times 10^{-5}\) mol L\(^{-1}\) 和 \([\mathrm{Cl}^{-}] = 1.0 \times 10^{-5}\) mol L\(^{-1}\)。你会预期 \(\ce{AgCl}\) 沉淀吗?
你可能会说会,因为氯化银通常被描述为难溶。然而,这些浓度所给出的离子积只有 \(1.0 \times 10^{-10}\),低于 \(\ce{AgCl}\) 的 \(K_{sp}\),在 25 °C 时约为 \(1.8 \times 10^{-10}\)。溶液可以容纳这些离子而不形成沉淀。
这正是 \(K_{sp}\) 的作用:它把「微溶」这类定性的概念转化为可以用数值判断的问题。
01先从离子拥挤的角度思考
想像溶解的离子是在一场气氛稍微尴尬的学校舞会上的学生。并不存在一个独立的 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 离子最大数量,以及另一个独立的 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子最大数量。真正重要的是两者的组合。
如果周围只有很少氯离子,就可以有较高浓度的银离子仍然保持溶解。若两种离子的浓度都相当高,它们的组合便可能大到无法维持平衡,于是形成固体 \(\ce{AgCl}\)。
这个比喻有其局限,因为离子并不是真的像 Year 12 学生一样,一边配对一边设法避免眼神接触。更重要的是,并不是所有固体都有 1:1 的化学式。对 \(\ce{CaF2}\) 而言,每一个钙离子涉及两个氟离子,因此在平衡式中,氟离子的浓度要平方。
正是这种化学计量关系,使 \(K_{sp}\) 比简单的溶解度规则更有用。
如果你需要先掌握定性的起点,可参阅 HSC Chemistry 的溶解度规则与沉淀检验。
02从溶解平衡到 \(K_{sp}\)
以氯化银为例:
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)} \]
在平衡时,
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] \]
其中:
- \(K_{sp}\) 是溶度积常数,
- \([\mathrm{Ag}^{+}]\) 是银离子的平衡浓度,单位为 mol L\(^{-1}\),
- \([\mathrm{Cl}^{-}]\) 是氯离子的平衡浓度,单位为 mol L\(^{-1}\)。
固体不会出现在 \(K_{sp}\) 表达式中。
现在比较氟化钙:
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F-(aq)} \]
因此
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
次方 2 直接来自溶解方程式中 \(\mathrm{F}^{-}\) 前面的系数。
这不是可有可无的记帐步骤。忘记平方,可能会令你的预测完全相反。
一些在 25 °C 下常见的表列数值如下:
| 固体 | 溶解平衡 | \(K_{sp}\) |
|---|---|---|
| \(\ce{AgCl}\) | \(\ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)}\) | \(1.8 \times 10^{-10}\) |
| \(\ce{BaSO4}\) | \(\ce{BaSO4(s) <=> Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq)}\) | \(1.1 \times 10^{-10}\) |
| \(\ce{CaF2}\) | \(\ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F-(aq)}\) | \(3.9 \times 10^{-11}\) |
| \(\ce{Ag2CrO4}\) | \(\ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)}\) | \(1.1 \times 10^{-12}\) |
不同资料来源可能会给出略有不同的数值,因为 \(K_{sp}\) 取决于温度和实验条件。在 HSC 题目中,应使用题目或所提供资料中的数值。
03\(Q_{sp}\) 问的是另一个问题
\(K_{sp}\) 描述的是平衡界线。
若要判断一个混合物目前是在这条界线之上还是之下,就要计算离子积 \(Q_{sp}\)。
对 \(\ce{AgCl}\) 而言,
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] \]
它的形式与 \(K_{sp}\) 表达式完全相同。不同之处在于你代入的是哪些浓度。
对 \(K_{sp}\) 而言,使用的是饱和系统中的平衡浓度。
对 \(Q_{sp}\) 而言,则使用当下存在的离子浓度,通常是刚混合后、任何沉淀尚未发生之前的浓度。
然后比较:
| 比较 | 意义 | 预测 |
|---|---|---|
| \(Q_{sp} < K_{sp}\) | 溶液未饱和 | 不形成沉淀 |
| \(Q_{sp} = K_{sp}\) | 溶液正处于饱和界线 | 不需要有净沉淀形成 |
| \(Q_{sp} > K_{sp}\) | 溶液对该固体而言处于过饱和状态 | 有利于沉淀形成 |
如果 \(Q_{sp} > K_{sp}\),离子会以固体形式离开溶液,直到溶解离子的浓度下降到足以恢复平衡为止。

还有一层值得补充的精确说明。实际的沉淀形成可能需要成核,因此过饱和溶液有时可以暂时维持不变。HSC 的平衡题通常忽略这种动力学延迟,并在 \(Q_{sp}>K_{sp}\) 时预测会形成沉淀。
04多数学生会漏掉的计算:混合后的稀释
假设你把 20 mL 的一种溶液与 30 mL 的另一种溶液混合。
第一种溶液中的离子不再局限于 20 mL 中。它们现在分散在约 50 mL 的总体积中。
所以通常不能直接把题目中标出的两个浓度代入 \(Q_{sp}\)。
先重温浓度关系式:
\[ n = cV \]
其中:
- \(n\) 是物质的量,单位为 mol,
- \(c\) 是浓度,单位为 mol L\(^{-1}\),
- \(V\) 是体积,单位为 L。
混合后,
\[ c_{\text{混合后}} = \frac{n}{V_{\text{总体积}}} \]
在一般 HSC 水溶液题目中,除非另有说明,通常假设体积可以直接相加。
因此,一个可靠的沉淀判断方法是:
- 写出可能发生的沉淀平衡。
- 根据系数写出 \(Q_{sp}\) 表达式。
- 求出混合前每种相关离子的莫耳数。
- 将这些莫耳数除以混合后的总体积。
- 计算 \(Q_{sp}\)。
- 比较 \(Q_{sp}\) 与 \(K_{sp}\)。
旁观离子不会出现在 \(Q_{sp}\) 表达式中。
Worked example:混合后氯化银会沉淀吗?
将 20.0 mL、\(2.00 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{AgNO3}\) 与 30.0 mL、\(1.00 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 混合。预测在 25 °C 时 \(\ce{AgCl}\) 是否会沉淀。使用 \(K_{sp}(\ce{AgCl}) = 1.8 \times 10^{-10}\)。
步骤 1
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)} \]
因此,
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] \]
步骤 2
对银离子:
\[ n(\mathrm{Ag}^{+}) = cV = (2.00 \times 10^{-4})(0.0200) = 4.00 \times 10^{-6}\ \mathrm{mol} \]
对氯离子:
\[ n(\mathrm{Cl}^{-}) = (1.00 \times 10^{-4})(0.0300) = 3.00 \times 10^{-6}\ \mathrm{mol} \]
步骤 3
\[ V_{\text{总体积}} = 0.0200 + 0.0300 = 0.0500\ \mathrm{L} \]
因此,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = \frac{4.00 \times 10^{-6}}{0.0500} = 8.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{Cl}^{-}] = \frac{3.00 \times 10^{-6}}{0.0500} = 6.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步骤 4
\[ Q_{sp} = (8.00 \times 10^{-5})(6.00 \times 10^{-5}) = 4.80 \times 10^{-9} \]
步骤 5
\[ 4.80 \times 10^{-9} > 1.8 \times 10^{-10} \]
因此,\(\ce{AgCl}\) 会沉淀。
有用的理解方式不只是「氯化银难溶」。真正的意思是,混合后的溶液最初同时含有的 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 多于平衡所允许的量。
Worked example:氟化钙会沉淀吗?
将 30.0 mL、\(1.00 \times 10^{-3}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{CaCl2}\) 与 20.0 mL、\(2.00 \times 10^{-3}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{NaF}\) 混合。预测 \(\ce{CaF2}\) 是否会沉淀。使用 \(K_{sp}(\ce{CaF2}) = 3.9 \times 10^{-11}\)。
步骤 1
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F-(aq)} \]
所以,
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
这个平方是主要的额外难点。
步骤 2
\[ n(\mathrm{Ca}^{2+}) = (1.00 \times 10^{-3})(0.0300) = 3.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
\[ n(\mathrm{F}^{-}) = (2.00 \times 10^{-3})(0.0200) = 4.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
\(\ce{CaCl2}\) 含有两个氯离子这件事,并不会令钙离子浓度加倍。一莫耳 \(\ce{CaCl2}\) 会提供一莫耳 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)。
同样地,一莫耳 \(\ce{NaF}\) 会提供一莫耳 \(\mathrm{F}^{-}\)。
步骤 3
总体积为
\[ V_{\text{总体积}} = 0.0300 + 0.0200 = 0.0500\ \mathrm{L} \]
因此,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = \frac{3.00 \times 10^{-5}}{0.0500} = 6.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{F}^{-}] = \frac{4.00 \times 10^{-5}}{0.0500} = 8.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步骤 4
\[ Q_{sp} = (6.00 \times 10^{-4})(8.00 \times 10^{-4})^2 = 3.84 \times 10^{-10} \]
步骤 5
\[ 3.84 \times 10^{-10} > 3.9 \times 10^{-11} \]
因此,\(\ce{CaF2}\) 会沉淀。
注意,\(Q_{sp}\) 几乎是 \(K_{sp}\) 的十倍。溶液必须降低 \([\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2\) 这个组合,而它的做法就是把钙离子和氟离子移入固体 \(\ce{CaF2}\) 中。
05为什么看似明显的捷径会失败
最容易犯的错误,是看著某一个浓度,直接拿它与 \(K_{sp}\) 比较。
例如,说
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = 8.0 \times 10^{-5} > 1.8 \times 10^{-10} \]
并不能告诉你任何有用的资讯。\(K_{sp}\) 并不是某一种特定离子的最高浓度。它限制的是一组离子浓度的组合。
第二个常见错误是使用混合前的原始浓度。这通常会令 \(Q_{sp}\) 过大,因为忽略了稀释。
第三个错误是忘记化学计量次方。对氟化钙而言,
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
而不是
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}] \]
第四个错误比较细微:以为 \(Q_{sp}>K_{sp}\) 就表示所有可能的溶解离子都会沉淀。事实并非如此。沉淀只会持续到重新达到平衡为止。一般仍会有一部分各种离子留在溶液中。
当其中一种反应物看起来像是「限制离子」时,这一点尤其重要。化学计量可能会消耗掉几乎所有这种离子,但平衡会阻止其浓度真正变成零。
06一个快速判断规则
当沉淀题目给你两种要混合的溶液时,你的草稿计算通常应该有以下形式:
\[ \text{混合前的莫耳数} \rightarrow \text{混合后的浓度} \rightarrow Q_{sp} \rightarrow \text{与 }K_{sp}\text{ 比较} \]
不要把中间两个步骤颠倒。
如果题目给出的浓度已经是指最终混合物中的浓度,就可以直接计算 \(Q_{sp}\)。仔细阅读每一个浓度实际描述的是甚么,可以省下半页不必要的计算。
07问题与解答
问题 1
将 25.0 mL、\(4.0 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{BaCl2}\) 与 25.0 mL、\(2.0 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{Na2SO4}\) 混合。
使用 \(K_{sp}(\ce{BaSO4}) = 1.1 \times 10^{-10}\),判断是否形成沉淀。
解答 1
会形成 \(\ce{BaSO4}\) 沉淀,因为混合后的离子积大于 \(K_{sp}\)。
平衡为
\[ \ce{BaSO4(s) <=> Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
所以
\[ Q_{sp} = [\mathrm{Ba}^{2+}][\ce{SO4^2-}] \]
因为混合的是相等体积,所以每一种原始离子浓度都减半。
\[ [\mathrm{Ba}^{2+}] = 2.0 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\[ [\ce{SO4^2-}] = 1.0 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,
\[ Q_{sp} = (2.0 \times 10^{-4})(1.0 \times 10^{-4}) = 2.0 \times 10^{-8} \]
比较:
\[ 2.0 \times 10^{-8} > 1.1 \times 10^{-10} \]
所以会形成 \(\ce{BaSO4(s)}\)。
一个很诱人的捷径,是直接把两个原始浓度相乘而不考虑稀释。在这一题中,这样仍然会预测出沉淀,但所得的 \(Q_{sp}\) 会是错的;当数值更接近临界值时,同一个错误可能会令答案完全相反。
问题 2
将 10.0 mL、\(1.00 \times 10^{-3}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{CaCl2}\) 与 40.0 mL 的 \(\ce{NaF}\) 溶液混合。
使用 \(K_{sp}(\ce{CaF2}) = 3.9 \times 10^{-11}\)。
在不令 \(\ce{CaF2}\) 沉淀的情况下,可以与该 \(\ce{CaCl2}\) 混合的 \(\ce{NaF}\) 溶液,其最大初始浓度是多少?
假设体积可以相加。
解答 2
可允许的最大初始 \(\ce{NaF}\) 浓度约为 \(5.52 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\)。在这个浓度下,最终混合物恰好位于沉淀临界点。
对氟化钙而言,
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
先求出混合后的钙离子浓度。
\(\mathrm{Ca}^{2+}\) 的初始物质的量为
\[ n = (1.00 \times 10^{-3})(0.0100) = 1.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
总体积为
\[ 0.0100 + 0.0400 = 0.0500\ \mathrm{L} \]
所以
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = \frac{1.00 \times 10^{-5}}{0.0500} = 2.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
设 \(\ce{NaF}\) 溶液的初始浓度为 \(C\) mol L\(^{-1}\)。
40.0 mL 被稀释至 50.0 mL 后,
\[ [\mathrm{F}^{-}] = C\left(\frac{40.0}{50.0}\right) = 0.800C \]
在沉淀恰好即将开始形成的临界点,
\[ Q_{sp}=K_{sp} \]
因此,
\[ (2.00 \times 10^{-4})(0.800C)^2 = 3.9 \times 10^{-11} \]
\[ 1.28 \times 10^{-4}C^2 = 3.9 \times 10^{-11} \]
\[ C^2 = 3.046875 \times 10^{-7} \]
\[ C = 5.52 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,在 HSC 平衡模型中,初始浓度约为 \(5.52 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 或以下时,不需要发生沉淀。任何更大的浓度都会令 \(Q_{sp}>K_{sp}\)。
一个很诱人的做法,是直接把原始氟离子浓度当作平衡时的氟离子浓度。真正改变结果的限制条件是稀释:氟化物溶液在混合前占 40.0 mL,但混合后则分布于 50.0 mL 中。
问题 3
将 50.0 mL、\(1.00 \times 10^{-3}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{AgNO3}\) 与 50.0 mL、\(6.00 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 混合。
使用 \(K_{sp}(\ce{AgCl}) = 1.8 \times 10^{-10}\)。
求:
a. \(\ce{AgCl}\) 是否会沉淀,
b. 哪一种离子在化学计量上过量,以及
c. 沉淀后 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 的近似平衡浓度。
假设总体积维持为 100.0 mL。
解答 3
\(\ce{AgCl}\) 会沉淀,\(\mathrm{Ag}^{+}\) 在化学计量上过量,而最终浓度约为 \([\mathrm{Ag}^{+}] = 2.01 \times 10^{-4}\) mol L\(^{-1}\) 及 \([\mathrm{Cl}^{-}] = 8.96 \times 10^{-7}\) mol L\(^{-1}\)。
先检查是否会发生沉淀。
等体积混合后,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]_{\text{初始混合物}} = 5.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{Cl}^{-}]_{\text{初始混合物}} = 3.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,
\[ Q_{sp} = (5.00 \times 10^{-4})(3.00 \times 10^{-4}) = 1.50 \times 10^{-7} \]
由于
\[ 1.50 \times 10^{-7} > 1.8 \times 10^{-10}, \]
所以会发生沉淀。
现在比较初始物质的量:
\[ n(\mathrm{Ag}^{+}) = (1.00 \times 10^{-3})(0.0500) = 5.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
\[ n(\mathrm{Cl}^{-}) = (6.00 \times 10^{-4})(0.0500) = 3.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
沉淀方程式为
\[ \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)} \]
所以两种离子以 1:1 比例反应。
主要的化学计量沉淀步骤之后,约有
\[ 5.00 \times 10^{-5} - 3.00 \times 10^{-5} = 2.00 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol} \]
的 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 剩下。
在 0.1000 L 中,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] \approx 2.00 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
此时很容易直接说 \([\mathrm{Cl}^{-}]=0\)。但这会违反平衡条件。如果有固体 \(\ce{AgCl}\) 存在,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] = 1.8 \times 10^{-10} \]
使用银离子的近似浓度,
\[ [\mathrm{Cl}^{-}] \approx \frac{1.8 \times 10^{-10}}{2.00 \times 10^{-4}} = 9.0 \times 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
更精确一点的处理方法,会考虑少量已溶解的 \(\ce{AgCl}\) 使两种离子的浓度都增加。
设平衡时氯离子浓度为 \(x\)。则
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = 2.00 \times 10^{-4}+x \]
以及
\[ x(2.00 \times 10^{-4}+x) = 1.8 \times 10^{-10} \]
解得
\[ x = 8.96 \times 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以
\[ [\mathrm{Cl}^{-}] = 8.96 \times 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = 2.009 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx 2.01 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
陷阱在于把化学计量上的完全反应,当成平衡上的完全反应。化学计量告诉你哪一种离子几乎被移除;\(K_{sp}\) 则告诉你,当固体和另一种离子仍然存在时,不能简单地把它的溶解浓度设为零。
问题 4
在 25 °C 下,将 \(\ce{CaF2}\) 的饱和溶液过滤,使滤液中不再有任何固体 \(\ce{CaF2}\)。
使用 \(K_{sp}(\ce{CaF2}) = 3.9 \times 10^{-11}\)。
a. 计算饱和滤液中的 \([\mathrm{Ca}^{2+}]\) 和 \([\mathrm{F}^{-}]\)。
b. 将 50.0 mL 此滤液与 50.0 mL、\(0.0100\) mol L\(^{-1}\) 的 \(\ce{CaCl2}\) 混合。预测 \(\ce{CaF2}\) 是否会沉淀。
c. 另取 50.0 mL 同一饱和滤液,改为与 50.0 mL 纯水混合。预测是否形成沉淀。
d. 如果在 c 部分进行稀释前没有先滤除未溶解的 \(\ce{CaF2}\),原有固体中的一部分会发生甚么变化?
解答 4
加入 \(\ce{CaCl2}\) 会使 \(\ce{CaF2}\) 沉淀,而加入纯水会使溶液变成未饱和。如果用水稀释时仍有未溶解的 \(\ce{CaF2}\) 存在,其中一部分固体会溶解。
对原来的饱和溶液而言,
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F-(aq)} \]
设莫耳溶解度为 \(s\) mol L\(^{-1}\)。
则
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = s \]
以及
\[ [\mathrm{F}^{-}] = 2s \]
因此,
\[ K_{sp} = s(2s)^2 = 4s^3 \]
所以
\[ 4s^3 = 3.9 \times 10^{-11} \]
\[ s = \left(\frac{3.9 \times 10^{-11}}{4}\right)^{1/3} = 2.14 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = 2.14 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{F}^{-}] = 4.27 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
对 b 部分而言,混合等体积会使氟离子浓度减半,但第二种溶液同时也提供了大量钙离子。
刚混合后,
\[ [\mathrm{F}^{-}] = \frac{4.27 \times 10^{-4}}{2} = 2.14 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
钙离子来自两种溶液:
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = \frac{2.14 \times 10^{-4}+0.0100}{2} = 5.11 \times 10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,
\[ Q_{sp} = (5.11 \times 10^{-3})(2.14 \times 10^{-4})^2 = 2.33 \times 10^{-10} \]
由于
\[ 2.33 \times 10^{-10} > 3.9 \times 10^{-11}, \]
所以 \(\ce{CaF2}\) 会沉淀。
乍看之下这可能令人觉得不合理,因为氟离子被稀释了。但稀释只是其中一个变化。由于加入了 \(\ce{CaCl2}\),钙离子浓度大幅增加。因此,\([\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2\) 的乘积整体上反而增加。
对 c 部分而言,纯水不会加入任何钙离子或氟离子。两种离子的浓度都只是减半:
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] = 1.07 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\[ [\mathrm{F}^{-}] = 2.14 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以
\[ Q_{sp} = (1.07 \times 10^{-4})(2.14 \times 10^{-4})^2 = 4.88 \times 10^{-12} \]
这小于 \(K_{sp}\):
\[ 4.88 \times 10^{-12} < 3.9 \times 10^{-11} \]
因此,经过滤的溶液会变成未饱和,不会形成沉淀。
对 d 部分而言,如果固体 \(\ce{CaF2}\) 仍然存在,同样的稀释起初会产生 \(Q_{sp}\)。铬酸银具有较小的 \(K_{sp}\),所以 \(\ce{Ag2CrO4}\) 必定会比 \(\ce{AgCl}\) 先沉淀。
求:
a. 实际上哪一种固体最先开始沉淀,
b. 第二种固体开始沉淀时,自由 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 的近似浓度,以及
c. 此时剩余的氯离子浓度。
由此准确解释为甚么直接比较两个 \(K_{sp}\) 数值会得出错误的预测。
解答 5
即使 \(\ce{Ag2CrO4}\) 的 \(K_{sp}\) 较小,\(\ce{AgCl}\) 仍然会先沉淀。第二种固体 \(\ce{Ag2CrO4}\) 在 \([\mathrm{Ag}^{+}] \approx 1.05 \times 10^{-5}\) mol L\(^{-1}\) 时开始形成;到那时,只剩约 \(1.72 \times 10^{-5}\) mol L\(^{-1}\) 的氯离子。
对氯化银而言,
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)} \]
以及
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] \]
在 \(\ce{AgCl}\) 刚好首次达到饱和的瞬间,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = \frac{1.8 \times 10^{-10}}{0.0100} = 1.8 \times 10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以,当自由银离子浓度达到 \(1.8 \times 10^{-8}\) mol L\(^{-1}\) 时,\(\ce{AgCl}\) 开始沉淀。
现在考虑铬酸银:
\[ \ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)} \]
它的溶度积表达式为
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}]^2[\ce{CrO4^2-}] \]
在铬酸银本身开始沉淀之前,其铬酸根浓度仍约为 \(0.0100\) mol L\(^{-1}\)。
在它的沉淀临界点,
\[ (1.1 \times 10^{-12}) = [\mathrm{Ag}^{+}]^2(0.0100) \]
因此,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]^2 = 1.1 \times 10^{-10} \]
以及
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = 1.05 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
比较两个临界浓度:
\[ 1.8 \times 10^{-8} < 1.05 \times 10^{-5} \]
银离子浓度会先达到 \(1.8 \times 10^{-8}\),所以 \(\ce{AgCl}\) 先沉淀。
现在来看更有意思的部分。一旦 \(\ce{AgCl(s)}\) 存在,溶解的银离子与氯离子浓度就由下式维持关联:
\[ [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] = 1.8 \times 10^{-10} \]
随著加入更多硝酸银,氯离子以固体 \(\ce{AgCl}\) 的形式被移除。这使自由 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 浓度可以逐渐上升。
当银离子浓度最后达到铬酸根的临界值时,
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] = 1.05 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
剩余的氯离子浓度必须为
\[ [\mathrm{Cl}^{-}] = \frac{1.8 \times 10^{-10}}{1.05 \times 10^{-5}} = 1.72 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
与初始的 \(0.0100\) mol L\(^{-1}\) 相比,
\[ \frac{1.72 \times 10^{-5}}{0.0100}\times100 \approx 0.172\% \]
所以,在 \(\ce{Ag2CrO4}\) 开始沉淀之前,原先溶解的氯离子约有 \(99.8\%\) 已被移除。
很诱人的做法是只按 \(K_{sp}\) 的大小排列各固体。真正改变答案的限制条件是化学计量关系。
对 \(\ce{AgCl}\) 而言,
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}] \]
而对 \(\ce{Ag2CrO4}\) 而言,
\[ K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}]^2[\ce{CrO4^2-}] \]
这些常数所描述的并不是相同的数学关系。因此,数值较小的 \(K_{sp}\) 并不会自动表示该固体会先沉淀。
正确的比较方法,是比较每一种固体要达到 \(Q_{sp}=K_{sp}\) 时所需的离子浓度。
08\(Q_{sp}\) 接下来让你判断甚么
一旦你能比较 \(Q_{sp}\) 与 \(K_{sp}\),沉淀题就不再只是简单的「可溶还是难溶?」问题。
你可以算出在固体出现之前某种离子最多可以存在多少、预测稀释或共同离子的影响、解释选择性沉淀,并追踪沉淀已经开始后会发生甚么。
关键习惯是把三个阶段分开:先计算实际的离子浓度,再根据正确的化学计量建立 \(Q_{sp}\),然后把它与 \(K_{sp}\) 比较。当沉淀形成后平衡发生移动,或多种可能的固体竞争同一种离子时,你接下来仍然需要使用同一套框架。