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溶解平衡

Wikipedia · 2023-01-11 维基百科 👁 0 阅读

溶解平衡是一种关于化合物溶解的化学平衡。溶解平衡能作用于化合物的应用，并且可以用于预测特定情况下化合物的溶解度。

溶解的固体可以是共价化合物（有机化合物：糖和无机化合物：氯化氢）或离子化合物（如食盐，即氯化钠），它们溶解时的主要区别是离子化合物会在溶于水时电离为离子（部分共价化合物亦可，如醋酸、氯化氢、硝酸、醋酸铅等）。水是最常用的溶剂，但同样的原则适用于任何溶剂。

在环境科学中，溶解在水中的全部固体物质（无论是否达到饱和）的浓度被称为总溶解固体（TDS）。

非离子化合物
有机固体的溶解平衡是其固态部分与溶解部分之间的平衡：

:\mathrm{{C}_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(s) \rightleftharpoons \mathrm{{C}_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(aq)

而平衡表达式可以如下所写（这适用于任何此类反应）：

:K = \frac{\left\{\mathrm{{C}_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(aq)\right\}}{ \left \{\mathrm{{C}_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(s)\right\}}

K是平衡常数，花括号代表相应物质的活度，而根据定义，固体物质的活度是1。如果离子氛之间的作用可以忽略（一种常见的情形是溶液的浓度极低时），则活度也可用浓度代替：

:K_s = \left[\mathrm{{C}_{12}{H}_{22}{O}_{11}}(aq)\right]\,

方括号代表摩尔浓度（通常用M表示）。

这个表达式是说在达到溶解平衡时，水中含有的已溶解的糖的浓度等于K。在25℃时，当标准浓度为1mol/L时，蔗糖的K=1.971，这是在25℃时能溶解的蔗糖的最大量，这时的溶液被称为“饱和的”。如果当前溶液浓度低于饱和浓度，固体会继续溶解直到两者相等或所有固体均已经溶解；如果当前溶液浓度高于饱和浓度，这时的溶液是“过饱和的”，溶液中的蔗糖将会以固体形式析出，直到两者相等。这个过程可能是缓慢的，但是平衡常数描述的是体系平衡时的状态，不是体系达到平衡的速度。

离子化合物
离子化合物在溶解时通常会发生电离，即在水的作用下解离为离子。例如硫酸钙：

:\mathrm{CaSO}_4(s) \rightleftharpoons \mbox{Ca}^{2+}(aq) + \mbox{SO}_4^{2-}(aq)\,

对上例而言，平衡表达式为：

:K = \frac{\left\{\mbox{Ca} ^{2+}(aq)\right\}\left\{\mbox{SO}_4^{2-}(aq)\right\}}{ \left\{\mbox{CaSO}_4(s)\right\}} 是指溶液中存在的其它盐，即使没有相同的离子，也会对离子强度造成影响，进而影响离子活度。因此即使Ksp保持不变，溶解度也会发生改变（默认固体的活度依旧为1）。

状态效应
在电离时，离子化合物通常解离成组成它们的离子，但这些离子在溶液中可能发生其它反应而改变他们的状态。在这类反应发生时，即使溶度积保持不变，溶解度也总会增加。例如碳酸钙的溶解平衡可表示为：

:\mathrm{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \mbox{Ca}^{2+}(aq) + \mbox{CO}_3^{2-}(aq)\,
:K_{\mathrm{sp}} = \left[\mbox{Ca}^{2+}(aq)\right]\left[\mbox{CO}_3^{2-}(aq)\right].\,

如果溶液的pH适合，碳酸根有可能变为碳酸氢根，那么固体的溶解度将会增加以确保溶度积保持不变。

相似地，如果一种络合剂（如EDTA）存在，溶解度亦会增加，因为钙离子会和EDTA发生配位，而配位的钙离子是不能参与溶解平衡的。

要正确地从溶度积推算溶解度，离子在溶液中可能发生的反应需要已知。如果没有这样做，推算可能会出现极大的误差。

相效应
平衡被定义为针对特定的物相，因此，对于固体的不同相态，溶度积一般是不同的。例如，即便文石和方解石具有相同的化学性质（均为碳酸钙），它们还是有不同的溶度积。然而，在一定条件下，由于热力学因素，只有一个相态会是稳定的，因此这一相态会进入真正的平衡。

粒子尺寸效应
溶解度常数在热力学上定义作大的单晶参与平衡时的常数。当溶质粒子变小时，溶解度会增加，因为有额外的表面积能作用。这种效应通常很小，除非溶质颗粒变得非常小（接近于微米数量级）。粒子半径对溶解度的影响如下所示：

:\log(^K_{A}) = \log(^K_{A \to 0}) + \frac{2 \gamma A_m} {3\ln(10)RT}

在此，^K_{A}是当溶质粒子摩尔表面积为A时的溶解度常数，^K_{A \to 0}是当溶质粒子摩尔表面积趋于0时的溶解度常数（例如当溶质粒子非常大时），γ是溶质离子在溶剂中的表面张力，Am是溶质的摩尔表面积（m2/mol），R是理想气体常数，T是绝对温度。.

溶解度常数
大量化合物的溶解度常数已经通过实验确定，对于离子化合物，更常见的是溶度积。浓度单位除非另有说明均为摩尔，有时溶解度的单位也可能是g/L。

在25℃一些物质的溶解度常数：

  • 碳酸钡: 2.60
  • 氯化亚铜: 1.72
  • 硫酸铅: 1.81
  • 碳酸镁: 1.15
  • 氯化银: 1.70
  • 溴化银: 7.7
  • 氢氧化钙: 8.0

參見

  • 溶度积表
  • 溶解度
  • 溶解度表

参考资料
外部链接

#溶液 #平衡化学

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