.. สมดุลเคมีคืออะไร
.. การคำนวณและการ ประยุกต์
.. หลักของเลอชาเตอลิเยร์

บทที่ 2

สมดุลไอออนในสารละลาย
(Ionic Equilibria in Aqueous Solution)
(ต่อ)

---

---

สมดุลของไอออนเกลือที่ละลายน้ำได้น้อย (top)

ปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติมักจะเกี่ยวข้องกับการตกตะกอน หรือการละลายของเกลือที่ละลายน้ำได้น้อย เช่น การเกิดหินย้อย หินปูนในถ้ำ เป็นต้น ค่าการละลายได้ของเกลือในตัวทำละลายจะเป็นปริมาณมากที่สุดในภาวะสมดุล (ในหน่วยกรัมหรือโมล) ที่สามารถละลายได้ในสารละลาย 1 ลิตร เกลือแสดงค่าการละลายได้แตกต่างกัน บางตัวละลายน้ำได้ดีแต่บางตัวละลายน้ำได้น้อย เช่น CsCl ละลายน้ำได้ประมาณ 1900 กรัม (หรือมากกว่า 11 โมล) ต่อน้ำ 1 ลิตร ขณะที่ AgCl ละลายน้ำได้เพียง 0.0018 กรัม (หรือ 1.3 x 10^-5 โมล) เท่านั้นที่ 25^oC

ค่าคงที่สมดุลของการละลาย (Solubility product constant) (top)

_{โดยทั่วไปแล้ว เกลือเป็นสารประกอบไอออนิก (ionic compound) เมื่อละลายน้ำแล้วจะ แตกตัวเป็นไอออนถ้ามีเกลือมากเกินพอจะเห็นลักษณะเป็นของผสมในน้ำซึ่งมีสมดุลเกิดขึ้นระหว่างของแข็งกับไอออนในสารละลายอิ่มตัว เช่น เกลือ calcium oxalate, CaC2O4 จะมีสมดุล เกิดขึ้นดังนี้ :}

ค่าคงที่สมดุลของการละลายมีค่าเป็น

K_c =

เนื่องจากความเข้มข้นของของแข็งมีค่าคงที่ จะได้

K_sp = K_c [CaC₂O₄] = [Ca²⁺][C₂O₄^2-]

เมื่อ K_sp คือค่าคงที่ผลคูณของการละลาย (solubility product constant) โดยทั่วไปแล้ว K_sp จะเป็นค่าคงที่สมดุลของสารละลายเกลือละลายน้ำได้น้อยและมีค่าเท่ากับผลคูณของความเข้มข้นของไอออนที่แตกตัวแล้วยกกำลังเลขสัมประสิทธิ์จำนวนโมล ค่า K_sp ขึ้นกับอุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งเท่านั้น เช่น lead iodide, PbI₂ เกิดสมดุลในน้ำ

K_sp = [Pb²⁺][I^- ] ²

_{อย่างไรก็ตามถือว่าเกลือที่ละลายน้ำได้น้อย (sparingly soluble salt) แตกตัวได้อย่างสมบูรณ์ในสารละลายอิ่มตัว ดังนั้นจึงประยุกต์ใช้กฎของสมดุลเคมีเข้ากับปฏิกิริยาการแตกตัวของเกลือเหล่านี้ได้}

_{ตัวอย่าง จงเขียนค่าคงที่สมดุลของการละลายของเกลือต่อไปนี้}

_{a) AgCl ...........................b) Hg2Cl2 .......................c) Pb3(AsO4)2}

 

_{วิธีทำ ที่สมดุลสามารถแสดงผลคูณของการละลายได้ดังนี้}

_{Ksp = [Ag⁺][Cl^-]}

_{Ksp = [Hg2²⁺][Cl^- ]²}

_{Ksp = [Pb²⁺ ]³ [AsO4^3-]²}

 

_{ตัวอย่าง นำสารละลายอิ่มตัวของ CaC2O4 1 ลิตร มาระเหยให้แห้งที่ 25^oC จะเหลือของแข็ง}

_{CaC2O4 0.0061 กรัม จงหาค่า Ksp ของเกลือชนิดนี้ที่ 25^oC}

_{วิธีทำ ค่าการละลายได้ของ CaC2O4 = 0.0061 g dm^-3}

_{หาค่าความเข้มข้นในหน่วย mol dm^-3 เมื่อ MW. ของ CaC2O4 = 128 g mol^-1}

_{ความเข้มข้นของ CaC2O4 = 0.0061 g dm^-3 x}

_{..........................................= 4.8x10^-5 mol dm^-3}

_{ความเข้มข้น (M) : CaC2O4(s) Ca²⁺(aq) + C2O4^2-(aq)}

_{เริ่มต้น ..................................................0 ........................0}

_{เปลี่ยนแปลง ........................................+4.8 x 10^-5 .......+4.8 x 10^-5}

_{ที่สมดุล ...............................................4.8 x 10^-5 ............4.8 x 10^-5}

_{แทนค่า Ksp = [Ca²⁺][C2O4^2-]}

_{...................................= (4.8 x 10^-5) (4.8 x 10^-5)}

_{...................................= 2.3 x 10^-9}

_{ตัวอย่าง จงหาค่าความสามารถในการละลาย (M) ของเกลือ PbI2 ในน้ำ เมื่อ Ksp = 7.1 x 10^-9}

_{วิธีทำ กำหนดให้ x คือความเข้มข้นการละลายของ PbI2 เมื่อละลายน้ำ 1 ลิตร จะแตกตัว ให้ Pb²⁺ x mol และ I^- 2x mol ดังนี้}

_{ความเข้มข้น (M) : PbI2(s) Pb²⁺(aq) + 2I^-(aq)}

_{เริ่มต้น .........................................0 .................0}

_{เปลี่ยนแปลง .................................+x ...............+2x}

_{ที่สมดุล ..........................................x .................2x}

_{...............แทนค่า [Pb²⁺][I ^-]² = Ksp}

_{...............................................(x) (2x)² = 7.1 x 10^-9}

_{.................ความสามารถในการละลาย , x = 1.2 x 10^-3 M}

_{ตัวอย่าง จงหาค่าความสามารถในการละลาย(M) ของเกลือ PbI2 ใน 0.01 M KI เมื่อ Ksp =7.1 x 10^-9}

_{วิธีทำ กำหนดให้ x คือความเข้มข้นการละลายของ PbI2 เมื่อละลายน้ำ 1 ลิตร จะแตกตัว ให้ Pb²⁺ x mol และ I^- 2x mol ดังนี้}

_{..............ความเข้มข้น (M) : PbI2(s)......Pb²⁺(aq) + 2I^-(aq)}

_{เริ่มต้น ............................................................0 .................0.01}

_{เปลี่ยนแปลง ...................................................+x ................+2x}

_{ที่สมดุล ............................................................x .................0.01+ 2x}

_{แทนค่า ...............[Pb²⁺][I ^-]² ......= .....Ksp}

_{.........................................(x) (0.01 + 2x)² = .....7.1 x 10^-9}

_{ความสามารถในการละลาย ,....................... x = .....7.1 x 10^-7 M}

_{การเติม I^- ลงไปทำให้ความสามารถในการละลายของ PbI2 ลดลงเมื่อเทียบกับละลายในน้ำ ปรากฎการณ์ลักษณะนี้จะสอดคล้องกับ หลักการของ Le Chatelier และเรียกว่า ผลของไอออนร่วม (common ion effect)}

 

_{Ksp กับการตกตะกอน (top)}

_{หลักเกณฑ์ในการตกตะกอน (criterion for precipitation) ถ้ากำหนดความเข้มข้นของสารในปฏิกิริยาระบบหนึ่ง ถามว่าปฏิกิริยาจะดำเนินไปในทิศทางใด กรณีนี้จะใช้ reaction quotient, Q ร่วมพิจารณาเทียบกับค่าคงที่สมดุล Kc ค่า Q นั้นหาได้ในลักษณะเดียวกับ Kc แต่ไม่ จำเป็นต้องอยู่ที่ภาวะสมดุล ส่วนมากจะเริ่มจากความเข้มข้นเริ่มต้นของปฏิกิริยา ในการพิจารณา ทิศทางของปฏิกิริยา :}

_{ถ้า Q < Kc ปฏิกิริยาควรจะดำเนินไปข้างหน้า}

_{ถ้า Q = Kc ปฏิกิริยาจะอยู่ที่ภาวะสมดุล}

_{ถ้า Q > Kc ปฏิกิริยาควรจะเกิดย้อนกลับ}

_{ตัวอย่าง สามารถเตรียมตะกอนของ PbI2(s) จากการเติม 3 หยดของ 0.2 M KI ใน 100 cm ³ ของ 0.01 M Pb(NO3)2 ได้หรือไม่ ถ้า 1 หยด = 0.05 cm³}

_{วิธีทำ จากสมดุลของการละลาย : PbI2(s) Pb²⁺(aq) + 2I^-(aq)}

_{ที่ภาวะเริ่มต้น : ...........Q ....=...... [Pb²⁺][I^-]²}

_{..................................[I^-] ...=....... 3 x 0.05 x 0.20 / 100 = 3 x 10^-4 M}

_{แทนค่า Q = (0.01) (3 x 10^-4)² = 9.0 x 10^-10}

_{แต่ค่า Ksp ของ PbI2 = 7.1 x 10^-9 จะเห็นว่า Q < Ksp ดังนั้น ปฏิกิริยาจะเกิดไปข้างหน้า :}

_{แสดงว่าจะไม่เกิดตะกอน}

_{การเลือกตกตะกอน (selective precipitation) ในกรณีที่สารละลายมีไอออนหลายชนิดผสมกันอยู่และต้องการแยกไอออนเหล่านั้นออกจากกันอาจพิจารณาการแยกไอออนโดยการเลือกตกตะกอนบางทีเรียกว่า การตกตะกอนทีละส่วน (fractional precipitation) เป็นเทคนิคการแยกไอออนที่ผสมกันอยู่ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปออกจากสารละลาย โดยการเติมสารเริ่มต้นบางอย่างเพื่อตกตะกอนไอออนชนิดแรกและตัวอื่น ๆ ต่อไป เช่น ในสารละลายที่มี Ba²⁺ 0.10 M และ Sr²⁺ 0.10 M ถ้าต้องการแยก Ba²⁺ ออกจาก Sr²⁺ โดยการเติมสารละลายเข้มข้น potassium chromate, K2CrO4 ลงในสารละลายนี้ทีละน้อย พบว่าจะมี barium chromate ตกตะกอนก่อนจนเกือบหมด จากนั้นจะมีตะกอนของ strontium chromate เริ่มตกตะกอนแยกจากสารละลาย ดังนั้นจึงสามารถแยก Ba²⁺ ออกจาก Sr²⁺ โดยใช้ K2CrO4 ตกตะกอนออกทีละส่วน}

_{ตัวอย่าง เติม AgNO3 อย่างช้าๆ ลงไปในสารละลายที่มี [CrO4^2-] = 0.01 M และ [Br^-] = 0.01 M ถามว่าตะกอนของสารใดจะตกตะกอนออกมาก่อน}

_{วิธีทำ ให้แยกพิจารณาตะกอนที่ละตัว}

_{พิจารณา AgBr : ..Qsp = [Ag⁺] [Br^-]}

_{= [Ag⁺] x 0.01 = Ksp = 5.0 x 10^-3}

_{[Ag⁺] = 5.0 x 10^-11 M}

_{พิจารณา AgCrO4 : Qsp = [Ag⁺] [CrO4^2-]}

_{= [Ag⁺] x 0.01 = Ksp = 2.4 x 10^-12}

_{[Ag⁺] = 1.5 x 10^-5 M}

_{[Ag⁺] ที่เริ่มทำให้เกิดตะกอน AgBr จะมีค่าน้อยกว่า ดังนั้นจึงเกิดตะกอนของ AgBr ก่อน}