Файл: Химия Часть 3.doc

Решение.

Концентрации ионов кальция и стронция, при которых из раст-вора с С(SO₄^2) = 0,01 моль/л начнется выпадение осадка, равны:

;

.

Следовательно, осадок SrSO₄ выпадет при меньшей концент-рации катионов, чем осадок CaSO₄.

Если концентрации катионов одинаковы и равны 10^4 моль/л, то при концентрации С(SO₄^2) = 0,01 моль/л будет образовываться осадок SrSO₄, а не CaSO₄, так как соотношение между и ПР осадков различное:

;

.

В случае конкурирующих гетерогенных равновесий разнотипных электролитов для установления последовательности выпадения осадков следует сравнивать не значения ПР, а величины раство-римостей, расчет которых проводится по формуле (2). Очевидно, что в первую очередь будет выпадать осадок, который имеет наимень-шую растворимость. Зная величины ПР, можно выделять из смеси ка-тионов или анионов отдельный компонент в виде осадка. Такой под-ход лежит в основе фракционного разделения катионов или анионов.

Пример 10. Определить, какой из имеющихся реактивов: йодид натрия NaI, карбонат натрия Na₂CO₃ или сульфид натрия Na₂S может быть использован для отделения магния от свинца в растворе, содержащем одинаковые концентрации (по 0,001 моль/л) нитратов магния и свинца.

Решение.

В водном растворе ион Рb²⁺ образует с ионом I^ малорастворимый осадок РbI₂ (), тогда какMgI₂ хорошо растворим. Поэтому соль NaI может быть использована для отделения Рb²⁺ от Mg²⁺ путем перевода свинца в осадок.

Взаимодействуя с ионом CO₃^2, ионы Рb²⁺ и Mg²⁺ в обоих случаях образуют малорастворимые соединения РbCO₃ и MgCO₃.

Концентрация карбонат-ионов, необходимая для выпадения осад-ков, составляет:

в случае MgСО₃: ;

в случае PbСО₃: .

Если добавлять карбонат натрия к раствору в таких количествах, чтобы концентрация СО₃^2- не превышала 0,02 моль/л, то можно оса-дить свинец в виде PbCO₃, а магний останется в растворе.

С ионом S^2 оба катиона (Mg²⁺ и Pb²⁺) образуют малораство-римые соединения MgS () иPbS ().

Образование осадка начнется при концентрации сульфид ионов:

в случае MgS: ;

в случае PbS: .

Из приведенного расчета видно, что концентрация сульфид-ионов очень мала, поэтому поддерживать ее величину на уровне, достаточном для выпадения осадка одного из компонентов, практи-чески невозможно.

Таким образом, использовать Na₂S для отделения Рb²⁺ от Mg²⁺ нецелесообразно.

Биологическая роль гетерогенных равновесий

Рассмотренная теория гетерогенного равновесия и факторы, влияющие на него, позволяют медикам со знанием дела использовать препараты, применяемые для коррекции гетерогенных равновесий в организме.

Важную роль в организме играют гетерогенные равновесия между ионами Са²⁺, РО₄^3, ОН^ и костной тканью, основу которой составляет гидроксиапатит Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂. Для нормального функционирования организма вреден как недостаток кальция, так и его избыток. В первом случае для смещения гетерогенного равновесия в сторону образования гидроксиапатита внутрь прини-мают растворимые соли кальция.

При избытке ионов Са²⁺ в организме самопроизвольно происходит смещение гетерогенного равновесия в сторону образования осадка, что может сопровождаться окостенением скелета, артритом и другими физиологическими отклонениями. В этом случае применяют динатриевую соль этилендиаминтетрауксус-ной кислоты (ЭДТА), которую также называют трилон Б (Na₂H₂Tr). При этом ионы Са²⁺ сыворотки крови связываются в прочный комплекс:

Са²⁺ + H₂Tr^2 CaTr^2 + 2H⁺

и выводятся из организма. Потеря ионов Са²⁺ возмещается за счет мобилизации кальция из костной ткани и избыточных отложений солей кальция в организме.

Распространенным заболеванием является кариес зубов. Эта патология также связана со смещением гетерогенного равновесия. Кариес зубов начинается с образования на поверхности зуба повреж-денного участка эмали. Под действием кислот, вырабатываемых бактериями, происходит частичное растворение гидроксиапатита, который входит в состав зубной эмали:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 14Н⁺  10Са²⁺ + 6Н₂РО₄^ + 2Н₂О.

В качестве средства, корректирующего нарушение гетерогенного равновесия и повышающего сопротивляемость зубов к кариесу, используют фторид натрия NaF. Применение NaF способствует осаж-дению фторапатита, тем самым ускоряя процесс реминерализации (образование кристаллов):

10Ca²⁺ + 6PO₄^3+ 2F^ Са₁₀(РО₄)₆F₂.

Кроме того, фторид-ионы легко замещают гидроксид-ионы в гидроксиапатите, образуя менее растворимый (и более твердый) защитный слой фторапатита:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + F^  Са₁₀(РО₄)₆F₂ + 2ОH^.

Следует отметить, что предельно допустимой концентрацией фторид-ионов в питьевой воде является 1 мг/л. Превышение этой концентрации может привести к другому заболеванию  фторозу.

Эталоны решения задач

1. При 25⁰С в 1 л раствора содержится 0,0044 г SrCO₃. Найти произведение растворимости SrCO₃.

Решение.

Из уравнения реакции растворения соли в воде:

S

осадок

видно, что 1 моль растворенного SrCO₃ при диссоциации образует 1 моль ионов Sr²⁺ и 1 моль ионов СО₃^2. Количество SrCO₃, растворяющееся в 1 л при 25⁰С, найдем по формуле (3):

2. В насыщенном растворе Ag₂CrO₄ концентрация CrO₄^2 равна 10^4 моль/л. Найти .

Решение.

Диссоциация Ag₂CrO₄ в растворе происходит по уравнению:

Ag₂CrO₄ 2Ag⁺ + CrO₄^2.

Из стехиометрического соотношения между ионами следует, что в насыщенном растворе [Ag⁺] = 2[СrО₄^2] = 210^4 моль/л.

Запишем математическое выражение для и подставим значения концентраций ионовAg⁺ и СrО₄^2:

.

3. Найти растворимостьCaSO₄ в моль/л и г/л.

Решение.

Запишем уравнение динамического равновесия между осадком CaSO₄ и его насыщенным: раствором:

C

осадок

Растворимость сульфата кальция в насыщенном растворе связана с величиной ПР:

Растворимость соли в г/л найдем по формуле (3):

4. Найти концентрации ионов Ca²⁺ и OH^ в насыщенном растворе Ca(OH)₂.

Решение.

Запишем уравнение гетерогенного равновесия:

C

осадок

Так как для Ca(OH)₂ (см. таблицу 1),n = 1, m = 2, то уравнение (2) примет вид:

Таким образом:

[Са²⁺] = P = 1,110^2 моль/л;

[OH^] = 2P = 2,210^2 моль/л.

5. Найти минимальный объем воды, необходимый для раство-рения 1 г сульфата свинца.

Решение.

По таблице 1 находим, что Растворимость сульфата свинца в насыщенном растворе найдем по формуле (2):

Так как P(PbSO₄) = C(PbSO₄), то из формулы для расчета моляр-ной концентрации получим:

Поскольку раствор разбавленный, то можно считать .

6. Определить, выпадет ли осадок при сливании 40 мл раствора нитрата серебра с С(AgNO₃) = 0,001 моль/л и 10 мл раствора карбоната калия c С(K₂CO₃) = 0,002 моль/л.

Решение.

Осадок карбоната серебра, полученный по обменной реакции, выпадет при условии, что произведение концентраций ионов превысит значение.

Концентрации ионов в исходных растворах составляют: