pH 与溶解度pH and Solubility

大思想 · 数量与比例(SPQ)AP 科学实践 6 · 论证AP 衔接 · Unit 7约 40 分钟

学习目标

  • 判断哪些难溶盐的溶解度随 pH 降低而增大(阴离子是 OH⁻ 或弱酸的共轭碱),哪些基本不受 pH 影响
  • 用勒夏特列原理和 Q 与 Ksp 的比较解释酸使这类盐溶解
  • 计算缓冲溶液中金属氢氧化物的溶解度,并用组合 K 的方法求“盐 + 酸”反应的 K

前置知识

  • pH 与 pOH(2.12.3)
  • K 的性质(反转、乘系数、相加)(U7.6)
  • 同离子效应(U7.12)

酸能溶解哪些难溶盐?

难溶盐的阴离子如果能和 H⁺ 结合,它的溶解度就随 pH 降低而增大:

  • OH⁻:H⁺ + OH⁻ → H₂O。Mg(OH)₂、Fe(OH)₃ 等氢氧化物溶于酸。
  • 弱酸的共轭碱:F⁻、CO₃²⁻、PO₄³⁻ 等。H⁺ 把它们变成 HF、HCO₃⁻(或 H₂CO₃、CO₂)、HPO₄²⁻ 等,所以 CaF₂、CaCO₃、Ca₃(PO₄)₂ 溶于酸。
  • 强酸的共轭碱:Cl⁻、Br⁻、I⁻ 几乎不和 H⁺ 结合,AgCl、AgBr、PbI₂ 的溶解度基本不随 pH 变化。

道理和同离子效应相反:H⁺ 消耗了溶解产生的阴离子,使 Q < Ksp,平衡向溶解的方向移动,于是有更多固体溶解。龋齿(牙釉质中的羟基磷灰石被酸溶解)、酸雨溶蚀石灰石,都是这个道理。

看几种盐的溶解度怎样随 pH 变化(溶液的 pH 由缓冲溶液固定):

动手试试:pH 怎样影响溶解度?

例题 1:缓冲溶液中的 Mg(OH)₂

25 °C 时 Mg(OH)₂ 的 Ksp = 8.9 × 10⁻¹²。分别求它在 pH = 9.00 和 pH = 11.00 的缓冲溶液中的摩尔溶解度。

分步解析
  1. 写溶解平衡和 Ksp。

    Mg(OH)X2(s)⇌MgX2++2 OHX−Ksp=c(MgX2+) c2(OHX−)\begin{gathered} \ce{Mg(OH)2(s) <=> Mg^2+ + 2OH-} \\ K_{sp} = c(\ce{Mg^2+})\,c^2(\ce{OH-}) \end{gathered}
  2. 思路:OH⁻ 的浓度由缓冲溶液固定。 溶解产生的 OH⁻ 会被缓冲溶液“吸收”,pH 不变,所以 c(OH⁻) 是已知的定值;溶解的 Mg(OH)₂ 全部变成 Mg²⁺,所以 s = c(Mg²⁺):

    s=c(MgX2+)=Kspc2(OHX−)s = c(\ce{Mg^2+}) = \frac{K_{sp}}{c^2(\ce{OH-})}
  3. pH = 9.00 时的 c(OH⁻)(单位 mol/L)。

    pOH=14.00−9.00=5.00c(OHX−)=10−5.00=1.0×10−5\begin{aligned} \text{pOH} &= 14.00 - 9.00 = 5.00 \\ c(\ce{OH-}) &= 10^{-5.00} = 1.0 \times 10^{-5} \end{aligned}
  4. pH = 9.00 时的溶解度。

    s=8.9×10−12(1.0×10−5)2=8.9×10−121.0×10−10=0.089 mol/L\begin{aligned} s &= \frac{8.9 \times 10^{-12}}{(1.0 \times 10^{-5})^2} = \frac{8.9 \times 10^{-12}}{1.0 \times 10^{-10}} \\ &= \boxed{0.089\ \text{mol/L}} \end{aligned}
  5. pH = 11.00 时。 pOH = 3.00,c(OH⁻) = 1.0 × 10⁻³ mol/L:

    s=8.9×10−12(1.0×10−3)2=8.9×10−121.0×10−6=8.9×10−6 mol/L\begin{aligned} s &= \frac{8.9 \times 10^{-12}}{(1.0 \times 10^{-3})^2} = \frac{8.9 \times 10^{-12}}{1.0 \times 10^{-6}} \\ &= \boxed{8.9 \times 10^{-6}\ \text{mol/L}} \end{aligned}
  6. 比较。

    0.0898.9×10−6=1.0×104\frac{0.089}{8.9 \times 10^{-6}} = 1.0 \times 10^{4}

    pH 只降低 2,溶解度就增大 10⁴ 倍:c(OH⁻) 变为原来的 1/100,而 Ksp 中 c(OH⁻) 是平方项,(1/100)² = 1/10⁴。

例题 2:CaF₂ 溶于酸的 K

25 °C 时 CaF₂ 的 Ksp = 4.0 × 10⁻¹¹,HF 的 Ka = 6.4 × 10⁻⁴(OpenStax)。求 CaF₂(s) + 2H⁺(aq) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2HF(aq) 的 K。

分步解析
  1. 把目标拆成两步。 先溶解,再让 F⁻ 结合 H⁺;两步相加,F⁻ 是中间物,会抵消。

  2. 第一步:溶解。

    CaFX2(s)⇌CaX2++2 FX−K1=Ksp=4.0×10−11\begin{gathered} \ce{CaF2(s) <=> Ca^2+ + 2F-} \\ K_1 = K_{sp} = 4.0 \times 10^{-11} \end{gathered}
  3. 第二步:F⁻ 结合 H⁺。 这是 HF 电离(HF ⇌ H⁺ + F⁻)反过来写,再乘 2。反过来写 K 取倒数,乘 2 则 K 平方:

    2 HX++2 FX−⇌2 HFK2=(1Ka)2=1(6.4×10−4)2\begin{gathered} \ce{2H+ + 2F- <=> 2HF} \\ K_2 = \left(\frac{1}{K_a}\right)^2 = \frac{1}{(6.4 \times 10^{-4})^2} \end{gathered}
  4. 算 K₂。

    K2=14.10×10−7=2.44×106K_2 = \frac{1}{4.10 \times 10^{-7}} = 2.44 \times 10^{6}
  5. 两步相加,K 相乘。 2F⁻ 抵消,正好得到目标方程式(U7.6):

    K=K1×K2=(4.0×10−11)(2.44×106)=9.8×10−5\begin{aligned} K &= K_1 \times K_2 \\ &= (4.0 \times 10^{-11})(2.44 \times 10^{6}) \\ &= \boxed{9.8 \times 10^{-5}} \end{aligned}
  6. 意义。 K 比 Ksp 大了约 10⁶ 倍:在酸中,F⁻ 不断被 H⁺ “拿走”变成 HF,溶解平衡持续正向移动,CaF₂ 溶解得多得多。

练一练:把下列难溶盐放进稀硝酸中,溶解度和在纯水中相比怎样?
  1. Mg(OH)₂
  2. AgCl
  3. CaCO₃
  4. AgBr
  5. CaF₂
  6. Fe(OH)₃
  7. PbI₂
  8. Ag₃PO₄

常见误区

误区 1:“所有难溶盐都溶于酸。” 只有阴离子能和 H⁺ 结合的才是这样。AgCl、AgBr、AgI 在稀酸中的溶解度和在水中差不多。

误区 2:“加酸使 Ksp 增大了。” Ksp 只随温度变化。酸消耗了溶液中的阴离子,Q 变小,于是更多固体溶解;Ksp 本身没变。

误区 3:“只有氢氧化物的溶解度与 pH 有关。” 阴离子是任何弱酸的共轭碱(F⁻、CO₃²⁻、PO₄³⁻ 等)时,溶解度都随 pH 降低而增大。

即时小测

下列难溶盐中,在 0.1 mol/L HNO₃ 中的溶解度比在纯水中大得多的是?

Mg(OH)₂ 在 pH = 10.00 的缓冲溶液中的溶解度,是在 pH = 12.00 时的多少倍?

大理石(CaCO₃)与盐酸反应的离子方程式是?

AgCl 的溶解度几乎不随 pH 变化,最好的解释是?

Mg(OH)₂ 的 Ksp = 8.9 × 10⁻¹²(OpenStax),Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴。Mg(OH)₂(s) + 2H⁺(aq) ⇌ Mg²⁺(aq) + 2H₂O(l) 的 K 用哪个式子算?

牙釉质的主要成分是羟基磷灰石 Ca₅(PO₄)₃OH。经常吃酸性食物会损害牙齿,原因是?

AP 自由作答题

AP 风格自由作答题

25 °C 时 Cu(OH)₂ 的 Ksp = 2.2 × 10⁻²⁰(OpenStax)。处理含 Cu²⁺ 的废水时,常加碱调节 pH,使 Cu²⁺ 以 Cu(OH)₂ 沉淀。

(a) 写出 Cu(OH)₂ 的 Ksp 表达式。

(b) 计算 Cu(OH)₂ 在 pH = 6.00 和 pH = 8.00 的缓冲溶液中的摩尔溶解度。

(c) 用平衡移动解释为什么 pH 越低,Cu(OH)₂ 溶解得越多。

(d) 要使废水中的 c(Cu²⁺) 降到 1.0 × 10⁻⁶ mol/L 以下,pH 至少要调到多少?

(e) 能不能用同样的办法(调节 pH)除去废水中的 Ag⁺,使它以 AgCl 沉淀?说明理由。

参考答案与评分要点

(a) Ksp = c(Cu²⁺)·c²(OH⁻)。

(b) pH = 6.00:c(OH⁻) = 1.0 × 10⁻⁸,s = 2.2 × 10⁻²⁰ ÷ (1.0 × 10⁻⁸)² = 2.2 × 10⁻⁴ mol/L。pH = 8.00:c(OH⁻) = 1.0 × 10⁻⁶,s = 2.2 × 10⁻²⁰ ÷ (1.0 × 10⁻⁶)² = 2.2 × 10⁻⁸ mol/L。

(c) Cu(OH)₂(s) ⇌ Cu²⁺ + 2OH⁻。pH 低时 c(OH⁻) 小(H⁺ 与 OH⁻ 结合),平衡向溶解的方向移动,溶解的 Cu(OH)₂ 更多。

(d) c(OH⁻) ≥ √(2.2 × 10⁻²⁰ ÷ 1.0 × 10⁻⁶) = 1.5 × 10⁻⁷ mol/L,pOH ≤ 6.83,pH ≥ 7.17,约 7.2 以上。

(e) 不能。Cl⁻ 是强酸的共轭碱,AgCl 的溶解度不随 pH 变化;要沉淀 Ag⁺,应加入 Cl⁻(同离子效应)。

评分要点: (a) 表达式;(b) 由 pH 求 c(OH⁻) 再求 s;(c) 平衡移动;(d) 由 Ksp 反求 c(OH⁻) 和 pH;(e) 强酸共轭碱不受 pH 影响。

小结

  • 阴离子是 OH⁻ 或弱酸的共轭碱的难溶盐,pH 越低溶解度越大;阴离子是强酸共轭碱的(Cl⁻、Br⁻、I⁻),溶解度基本不随 pH 变化。
  • 原因:H⁺ 消耗阴离子,Q < Ksp,平衡向溶解方向移动;Ksp 不变。
  • 缓冲溶液中的氢氧化物:s = Ksp ÷ c(OH⁻)ⁿ;“盐 + 酸”的 K = Ksp ÷ Kaⁿ。

AP 提示: 判断溶解度是否受 pH 影响,先看阴离子:它的共轭酸是弱酸吗?是,就会受 pH 影响。解释时写出 H⁺ 与阴离子结合的方程式,再说明平衡向哪边移动。

练一练这一章:Unit 7 · 平衡 · 12 道题练一练这个 topic:U7.13 · pH 与溶解度 · 6 道题

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