從 Ksp 計算溶解度:HSC 化學
學習如何利用配平的溶解方程式、離子比例和平衡濃度,從 Ksp 計算莫耳溶解度。包含完整例題與具挑戰性的 HSC 風格問題。
有一道題目告訴你,氟化鈣的 \(K_{sp}=3.9\times10^{-11}\),並要求你計算它的溶解度。一個很誘人的做法是直接寫下 \(3.9\times10^{-11}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),然後繼續下一題。
在繼續閱讀之前先預測一下:這真的是它的溶解度嗎?
不是。\(K_{sp}\) 是由離子的平衡濃度所構成,而不是直接由溶解的固體量所決定。對氟化鈣而言,每溶解一摩爾固體,就會產生一摩爾鈣離子和兩摩爾氟離子。這個 \(1:2\) 的比例會徹底改變計算方式。
關鍵技巧是把配平後的溶解方程式轉換成離子濃度。
01從一個溶解的化學式單位到離子濃度
先從氟化鈣開始:
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
假設它的莫耳溶解度為 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。這表示每公升飽和溶液中會溶解 \(s\) 摩爾的 \(\ce{CaF2}\)。
配平後的方程式因此告訴我們:
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s \]
以及
\[ [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
可以把每一個 \(\ce{CaF2}\) 化學式單位想像成一名學生帶著兩位朋友一起到達。如果有 \(s\) 組到達,就會得到 \(s\) 的鈣離子和 \(2s\) 的氟離子。
這個比喻到此為止。溶解之後,這些離子並不是以三個一組的小團體四處移動。配平方程式只告訴我們它們產生時的比例。

這個第一個模型假設水中原本沒有鈣離子或氟離子。稍後我們會取消這個假設。
02\(K_{sp}\) 實際上衡量的是甚麼
對於微溶的離子固體,溶解最終會達到動態平衡。離子仍持續離開固體並重新加入固體,但它們的平衡濃度保持不變。
對氟化鈣而言,
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
其溶度積表達式為
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
固體 \(\ce{CaF2}\) 不會出現在表達式中。只要純固體仍然存在,它的活度實際上可視為常數,因此其含量不會以濃度項的形式包括在內。
現在代入由溶解 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 所產生的濃度:
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此
\[ s=\sqrt[3]{\frac{K_{sp}}{4}} \]
這就是為甚麼 \(K_{sp}\) 本身並不是溶解度。
係數有兩種不同的作用
這是最容易失分的地方之一。
在
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
中,係數 \(2\) 告訴你
\[ [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
但它同時也會成為 \(K_{sp}\) 表達式中的指數:
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
因此,計算中同時包含這兩部分:
\[ K_{sp}=s(2s)^2 \]
如果只使用 \(s^3\),或使用 \(s(2s)\),都會漏掉一部分化學關係。
03把 \(K_{sp}\) 轉換成溶解度的可靠方法
對於純水中的飽和溶液,在沒有重要副反應的情況下:
- 寫出配平後的溶解方程式。
- 設莫耳溶解度為 \(s\)。
- 利用係數,把每種平衡離子濃度以 \(s\) 表示。
- 寫出 \(K_{sp}\) 表達式。
- 代入離子濃度。
- 解出 \(s\)。
- 只有在題目要求時,才轉換成其他單位,例如 \(\mathrm{g\,L^{-1}}\)。
有一些常見形式值得辨認。
| 溶解形式 | 由溶解度 \(s\) 產生的濃度 | \(K_{sp}\) 關係 |
|---|---|---|
| \(\ce{MX(s) <=> M(aq) + X(aq)}\) | \(s,\ s\) | \(K_{sp}=s^2\) |
| \(\ce{MX2(s) <=> M(aq) + 2X(aq)}\) | \(s,\ 2s\) | \(K_{sp}=4s^3\) |
| \(\ce{M2X(s) <=> 2M(aq) + X(aq)}\) | \(2s,\ s\) | \(K_{sp}=4s^3\) |
| \(\ce{M2X3(s) <=> 2M(aq) + 3X(aq)}\) | \(2s,\ 3s\) | \(K_{sp}=108s^5\) |
不要用死記這張表來取代使用方程式。配平後的方程式更可靠,因為即使遇到不熟悉的化學計量關係,也永遠可以從基本原理重新建立。
例題:1:1 鹽的溶解度
在題目所述溫度下,\(\ce{AgCl}\) 飽和溶液的 \(K_{sp}=1.8\times10^{-10}\)。計算它的莫耳溶解度,以及以 \(\mathrm{g\,L^{-1}}\) 表示的溶解度。\(\ce{AgCl}\) 的莫耳質量為 \(143.3\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
步驟 1
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl-(aq)} \]
步驟 2
一摩爾 \(\ce{AgCl}\) 會產生一摩爾的每種離子,因此
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]=s,\qquad [\mathrm{Cl}^{-}]=s \]
步驟 3
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Cl}^{-}]=s^2 \]
因此,
\[ 1.8\times10^{-10}=s^2 \]
步驟 4
\[ s=\sqrt{1.8\times10^{-10}} =1.34\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步驟 5
\[ \begin{aligned} \text{質量溶解度} &=(1.34\times10^{-5})(143.3)\\ &=1.92\times10^{-3}\ \mathrm{g\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,在這些條件下,每公升只會溶解約 \(1.92\ \mathrm{mg}\) 的 \(\ce{AgCl}\)。
這裡的重要特點是 \(1:1\) 的溶解比例。即使在這個最簡單的情況下,\(K_{sp}\neq s\);而是 \(K_{sp}=s^2\)。
例題:其中一種離子產生兩倍時
假設在題目所述溫度下,\(\ce{CaF2}\) 的 \(K_{sp}=3.9\times10^{-11}\)。計算它在純水中的莫耳溶解度和質量溶解度。\(\ce{CaF2}\) 的莫耳質量為 \(78.07\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。忽略其他平衡。
步驟 1
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
步驟 2
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s,\qquad [\mathrm{F}^{-}]=2s \]
步驟 3
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \]
代入後得到
\[ 3.9\times10^{-11}=s(2s)^2=4s^3 \]
步驟 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,溶解度在數值上比 \(K_{sp}\) 大數百萬倍。它們是不同的量,兩者透過溶解反應的化學計量關係相連。
步驟 5
\[ \begin{aligned} \text{質量溶解度} &=(2.14\times10^{-4})(78.07)\\ &=1.67\times10^{-2}\ \mathrm{g\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,在飽和狀態下,每公升溶液含有約 \(0.0167\ \mathrm{g}\) 的已溶解 \(\ce{CaF2}\)。
04最誘人的錯誤捷徑
較小的 \(K_{sp}\) 通常表示物質較難溶,但你不能只比較兩種鹽的 \(K_{sp}\) 數值,就安全地判斷它們的溶解度大小。
假設鹽 A 以 \(1:1\) 溶解:
\[ \ce{MX(s) <=> M(aq) + X(aq)} \]
那麼
\[ K_{sp}=s^2 \]
但鹽 B 以 \(1:2\) 溶解:
\[ \ce{MY2(s) <=> M(aq) + 2Y(aq)} \]
因此
\[ K_{sp}=4s^3 \]
相同的莫耳溶解度會產生完全不同的 \(K_{sp}\) 數值,因為它們的平衡表達式具有不同次方。
所以判斷原則很簡單:只有在利用各自的配平溶解方程式把每個 \(K_{sp}\) 轉換成莫耳溶解度之後,才能比較莫耳溶解度。
另外還有幾個常見陷阱值得留意。
| 誘人的做法 | 為甚麼會失敗 |
|---|---|
| 設 \(s=K_{sp}\) | \(K_{sp}\) 是平衡離子濃度的乘積。 |
| 把每種離子濃度都寫成 \(s\) | 溶解方程式中的係數可能會產生 \(2s\)、\(3s\) 等。 |
| 只把係數用作指數 | 在代入之前,係數也決定離子濃度。 |
| 把固體包括在 \(K_{sp}\) 表達式中 | 純固體不包括在平衡表達式中。 |
| 只根據 \(K_{sp}\) 排列不同鹽的溶解度 | 不同的溶解化學計量關係會使 \(K_{sp}\) 與 \(s\) 之間具有不同的數學關係。 |
05甚麼時候 \([\text{離子}]=\text{係數}\times s\) 已經不夠
到目前為止,每個計算都是從純水開始。
現在想像把 \(\ce{CaF2}\) 溶解在一個已經含有來自可溶性 \(\ce{NaF}\) 的 \(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 氟離子的溶液中。
如果再有 \(s\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{CaF2}\) 溶解,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=s \]
但氟離子濃度並不是 \(2s\)。它是
\[ [\mathrm{F}^{-}]=0.0100+2s \]
因此,
\[ K_{sp}=s(0.0100+2s)^2 \]
配平後的方程式沒有改變。改變的是起始濃度。
這就是同離子效應:加入原本已存在於溶解平衡中的離子,通常會減少固體可溶解的量。
當溶液混合時,還有另一個重要區別。\(K_{sp}\) 描述的是飽和平衡。離子積
\[ Q_{sp} \]
使用相同的表達式,但代入的是目前實際存在的濃度。
- 如果 \(Q_{sp}K_{sp}\),則會有利於沉澱,直到離子濃度下降。
如果你對判斷是否會形成沉澱仍不熟悉,可以複習 HSC 化學的溶解度規則與沉澱測試。
06問題與解答
問題 1
在某一特定溫度下,\(\ce{PbSO4}\) 的 \(K_{sp}=1.6\times10^{-8}\)。
\[ \ce{PbSO4(s) <=> Pb^2+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
計算它在純水中的莫耳溶解度。假設沒有其他顯著的平衡。
解答 1
莫耳溶解度為 \(1.3\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
設莫耳溶解度為 \(s\)。溶解方程式為 \(1:1\),所以
\[ [\mathrm{Pb}^{2+}]=s,\qquad [\ce{SO4^2-}]=s \]
溶度積表達式為
\[ K_{sp}=[\mathrm{Pb}^{2+}][\ce{SO4^2-}] \]
因此,
\[ \begin{aligned} 1.6\times10^{-8}&=s^2\\ s&=\sqrt{1.6\times10^{-8}}\\ &=1.26\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
取兩位有效數字,
\[ s=1.3\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
很誘人的錯誤是把答案寫成 \(1.6\times10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。這個數值是 \(K_{sp}\),不是已溶解 \(\ce{PbSO4}\) 的濃度。
問題 2
鉻酸銀依照下式溶解:
\[ \ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)} \]
在某一特定溫度下,\(K_{sp}=1.10\times10^{-12}\)。
計算:
- \(\ce{Ag2CrO4}\) 在純水中的莫耳溶解度,
- \(\mathrm{Ag}^{+}\) 的平衡濃度,以及
- \(250.0\ \mathrm{mL}\) 飽和溶液中所溶解的 \(\ce{Ag2CrO4}\) 質量。
使用莫耳質量 \(331.7\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
解答 2
莫耳溶解度為 \(6.50\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),銀離子濃度為 \(1.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \(250.0\ \mathrm{mL}\) 中溶解了 \(5.39\times10^{-3}\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{Ag2CrO4}\)。
設莫耳溶解度為 \(s\)。
由
\[ \ce{Ag2CrO4(s) <=> 2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq)} \]
可得
\[ [\mathrm{Ag}^{+}]=2s,\qquad [\ce{CrO4^2-}]=s \]
平衡表達式為
\[ K_{sp}=[\mathrm{Ag}^{+}]^2[\ce{CrO4^2-}] \]
所以
\[ \begin{aligned} 1.10\times10^{-12} &=(2s)^2(s)\\ &=4s^3 \end{aligned} \]
因此
\[ \begin{aligned} s&=\sqrt[3]{\frac{1.10\times10^{-12}}{4}}\\ &=6.50\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
銀離子濃度是其兩倍:
\[ [\mathrm{Ag}^{+}] =2(6.50\times10^{-5}) =1.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
現在計算 \(0.2500\ \mathrm{L}\) 中溶解了多少摩爾固體:
\[ \begin{aligned} n&=cV\\ &=(6.50\times10^{-5})(0.2500)\\ &=1.63\times10^{-5}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此,
\[ \begin{aligned} m&=nM\\ &=(1.63\times10^{-5})(331.7)\\ &=5.39\times10^{-3}\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
陷阱是把兩種離子的濃度都設為 \(s\)。溶解後的銀離子數量是鉻酸根離子的兩倍。
問題 3
在相同溫度下研究兩種假想的鹽。
鹽 A 依照下式溶解:
\[ \ce{MX(s) <=> M^2+(aq) + X^2-(aq)} \]
並且
\[ K_{sp}=1.0\times10^{-8} \]
鹽 B 依照下式溶解:
\[ \ce{MY2(s) <=> M^2+(aq) + 2Y^-(aq)} \]
並且
\[ K_{sp}=3.2\times10^{-11} \]
一名學生聲稱,鹽 A 一定具有較大的莫耳溶解度,因為它的 \(K_{sp}\) 大超過 300 倍。
判斷實際上哪一種鹽具有較大的莫耳溶解度,並計算每種飽和溶液所產生的溶解離子總濃度。
解答 3
鹽 B 的莫耳溶解度較大:\(2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而鹽 A 為 \(1.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
對鹽 A 而言,溶解比例為 \(1:1\):
\[ K_{sp}=s^2 \]
所以
\[ \begin{aligned} s_A&=\sqrt{1.0\times10^{-8}}\\ &=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
每一個溶解的化學式單位總共會產生兩個離子。因此,離子濃度總和為
\[ 2s_A=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
對鹽 B 而言,
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=s,\qquad [\mathrm{Y}^{-}]=2s \]
而且
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此,
\[ \begin{aligned} 3.2\times10^{-11}&=4s_B^3\\ s_B^3&=8.0\times10^{-12}\\ s_B&=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
鹽 B 每一個溶解的化學式單位會產生三個離子,所以總離子濃度為
\[ 3s_B=6.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此,即使鹽 B 的 \(K_{sp}\) 小得多,它的莫耳溶解度仍是鹽 A 的兩倍。
這名學生的論點之所以看起來合理,是因為對具有相同溶解化學計量關係的鹽而言,較大的 \(K_{sp}\) 的確對應較大的莫耳溶解度。他忽略的條件是,這兩種鹽具有不同的平衡表達式。
問題 4
在某一特定溫度下,氟化鈣具有
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-11} \]
首先在純水中製備一份飽和 \(\ce{CaF2}\) 溶液,並讓過量固體存在。然後透過過濾把固體完全移除。
取 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的這份飽和濾液,與 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{NaF}\) 混合。
假設體積可相加,而且沒有其他顯著的平衡。
判斷:
- 混合後 \(\ce{CaF2}\) 是否會沉澱,
- 發生任何沉澱之後,\(\mathrm{Ca}^{2+}\) 的近似平衡濃度,以及
- 剛混合後存在的鈣離子中,有多少百分比在平衡時仍保持溶解。
解答 4
\(\ce{CaF2}\) 會沉澱,最終的 \([\mathrm{Ca}^{2+}]\) 約為 \(4.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而剛混合後存在的鈣中,只有約 \(0.371\%\) 在平衡時仍保持溶解。
首先求原本飽和 \(\ce{CaF2}\) 溶液的莫耳溶解度。
\[ \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+(aq) + 2F^-(aq)} \]
設原本的莫耳溶解度為 \(s\):
\[ 4.00\times10^{-11}=s(2s)^2=4s^3 \]
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
\[ [\mathrm{F}^{-}]=4.31\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
等體積混合會使這些濃度減半。剛混合後、沉澱發生之前,
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}] =\frac{2.15\times10^{-4}}{2} =1.08\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
原先來自 \(\ce{CaF2}\) 的氟離子濃度變為
\[ 2.15\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaF}\) 在混合時也會減半,得到
\[ 0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
的氟離子。
因此,剛混合後的氟離子總濃度為
\[ [\mathrm{F}^{-}] =0.0100+2.15\times10^{-4} =0.010215\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
現在計算 \(Q_{sp}\):
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=[\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2\\ &=(1.08\times10^{-4})(0.010215)^2\\ &=1.12\times10^{-8} \end{aligned} \]
這遠大於
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-11} \]
所以一定會發生沉澱。
對最終平衡,設
\[ [\mathrm{Ca}^{2+}]=c \]
大部分氟離子來自 \(\ce{NaF}\),所以第一個近似是
\[ [\mathrm{F}^{-}]\approx0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
那麼
\[ \begin{aligned} 4.00\times10^{-11} &=c(0.0100)^2\\ c&=\frac{4.00\times10^{-11}}{1.00\times10^{-4}}\\ &=4.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
這個近似非常好,因為與這些剩餘鈣離子相對應的氟離子濃度只有
\[ 2c=8.00\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
與 \(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 相比非常小。
因此,剩餘鈣的比例為
\[ \frac{4.00\times10^{-7}}{1.08\times10^{-4}} =3.71\times10^{-3} \]
也就是
\[ 0.371\% \]
一個很誘人的做法是在混合後重新計算 \(\ce{CaF2}\) 在純水中的溶解度。這忽略了 \(\ce{NaF}\) 已經提供的大量氟離子濃度。同離子使容許存在的鈣離子濃度降低了數百倍。
問題 5
一種假想鹽 \(\ce{MX2}\) 依照下式溶解:
\[ \ce{MX2(s) <=> M^2+(aq) + 2X^-(aq)} \]
在固定溫度下,
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-9} \]
而 \(\ce{MX2}\) 的莫耳質量為 \(150.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
製備兩份各 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 的飽和 \(\ce{MX2}\) 溶液樣本。
燒杯 A 持續與超過 \(0.0600\ \mathrm{g}\) 的未溶解 \(\ce{MX2}\) 接觸。
燒杯 B 經過過濾,使所有固體都被移除。
接著,兩份樣本都用純水稀釋至總體積 \(500.0\ \mathrm{mL}\)。
判斷:
- 燒杯 A 在重新建立平衡後的最終 \([\mathrm{M}^{2+}]\) 和 \([\mathrm{X}^{-}]\),
- 燒杯 B 剛稀釋後的最終濃度和 \(Q_{sp}\),
- 接著把 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 的固體 \(\ce{MX2}\) 加入燒杯 B 時會發生甚麼,包括其最終離子濃度,以及
- 必須向稀釋後的燒杯 B 總共加入多少質量的 \(\ce{MX2}\),才能剛好達到飽和。
一名學生主張:「只要向燒杯 B 加入任何固體,溶液就一定必須滿足 \(Q_{sp}=K_{sp}\)。」利用你的計算評估這個說法。
解答 5
燒杯 A 會回到 \([\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 和 \([\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\);稀釋後的燒杯 B 仍然未飽和;第一次加入 B 的 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 會完全溶解;而要讓稀釋後的燒杯 B 達到飽和,總共必須加入 \(0.0600\ \mathrm{g}\)。
首先計算飽和狀態下的莫耳溶解度。
對
\[ \ce{MX2(s) <=> M^2+(aq) + 2X^-(aq)} \]
設莫耳溶解度為 \(s\):
\[ K_{sp}=s(2s)^2=4s^3 \]
因此,
\[ \begin{aligned} 4.00\times10^{-9}&=4s^3\\ s^3&=1.00\times10^{-9}\\ s&=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
所以飽和溶液具有
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
對燒杯 A 而言,稀釋起初會降低兩種離子的濃度。這使 \(Q_{sp}<K_{sp}\),因此原本已經在燒杯中的固體會溶解更多。
當平衡重新建立後,
\[ [\mathrm{M}^{2+}]=1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}]=2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
再次成立。
這需要有足夠的額外固體可以溶解。最終的 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 飽和溶液含有
\[ (1.00\times10^{-3})(0.5000) =5.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解化學式單位。
原本的 \(0.1000\ \mathrm{L}\) 樣本含有
\[ (1.00\times10^{-3})(0.1000) =1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
因此,還必須再溶解
\[ 4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
其質量為
\[ \begin{aligned} m&=nM\\ &=(4.00\times10^{-4})(150.0)\\ &=0.0600\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
題目指出燒杯 A 含有多於這個質量的固體,因此有足夠的固體可用。
燒杯 B 的情況不同,因為它的固體在稀釋之前已經被移除。
從 \(100.0\ \mathrm{mL}\) 稀釋至 \(500.0\ \mathrm{mL}\),體積增加為五倍。因此,
\[ [\mathrm{M}^{2+}] =\frac{1.00\times10^{-3}}{5} =2.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}] =\frac{2.00\times10^{-3}}{5} =4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
其離子積為
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=[\mathrm{M}^{2+}][\mathrm{X}^{-}]^2\\ &=(2.00\times10^{-4})(4.00\times10^{-4})^2\\ &=3.20\times10^{-11} \end{aligned} \]
這小於
\[ K_{sp}=4.00\times10^{-9} \]
所以燒杯 B 是未飽和的。
這並不矛盾。\(K_{sp}\) 並不會神奇地強迫每一份溶液都滿足 \(Q_{sp}=K_{sp}\)。當 \(Q_{sp}<K_{sp}\) 時,如果有固體存在,就可以再溶解更多固體。在已過濾的燒杯 B 中,一開始並沒有固體。
現在加入 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{MX2}\)。
加入的物質的量為
\[ \begin{aligned} n&=\frac{m}{M}\\ &=\frac{0.0300}{150.0}\\ &=2.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
加入固體之前,燒杯 B 已經含有
\[ 1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解 \(\ce{MX2}\) 化學式單位。如果所有新加入的固體都溶解,已溶解的總量會變成
\[ 3.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
分布在 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 中。
這會得到
\[ [\mathrm{M}^{2+}] =\frac{3.00\times10^{-4}}{0.5000} =6.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及
\[ [\mathrm{X}^{-}] =1.20\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
檢查這個假設狀態是否仍然未飽和:
\[ \begin{aligned} Q_{sp} &=(6.00\times10^{-4})(1.20\times10^{-3})^2\\ &=8.64\times10^{-10} \end{aligned} \]
由於
\[ 8.64\times10^{-10}<4.00\times10^{-9} \]
所以全部 \(0.0300\ \mathrm{g}\) 都會溶解。不會有固體留下。
最後,一份飽和的 \(0.5000\ \mathrm{L}\) 溶液需要
\[ 5.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的已溶解 \(\ce{MX2}\)。稀釋後的已過濾溶液一開始有
\[ 1.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
因此還需要
\[ 4.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \]
的 \(\ce{MX2}\)。
所以必須加入的總質量為
\[ \begin{aligned} m&=(4.00\times10^{-4})(150.0)\\ &=0.0600\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
這名學生的說法並不成立,因為只加入一些固體並不能保證仍會有固體存在。如果溶液的未飽和程度足夠大,加入的固體可以完全溶解,而 \(Q_{sp}\) 仍然低於 \(K_{sp}\)。
關鍵在於可用物質的量。\(K_{sp}\) 告訴你飽和條件;它不會憑空產生原本不存在的額外溶質。
07這項計算接下來能讓你做到甚麼
核心步驟始終相同:利用配平後的溶解方程式,把溶解的化學式單位數量與出現在 \(K_{sp}\) 中的離子濃度連結起來。
在純水中,這通常會產生像 \(s^2\)、\(4s^3\) 或 \(108s^5\) 這樣簡潔的表達式。一旦題目加入同離子、稀釋或混合,相同的物質衡算方法仍然適用,但你必須追蹤溶液原本已含有甚麼,而不能自動把每個濃度都替換成 \(s\) 的倍數。
這會直接延伸到同時利用 \(Q_{sp}\) 和 \(K_{sp}\) 判斷沉澱會形成、溶解,還是維持不變。若想看另一個把溶解度用作分離工具的例子,蘇鐵果實去毒:溶解度與重複萃取 追蹤了已溶解物質反覆重新分配到新鮮溶劑時所發生的情況。其平衡模型不同,但有用的習慣相同:準確追蹤甚麼可以溶解、有多少物質存在,以及它去了哪裡。