难溶盐在盐酸中的溶解度分析

本文详细探讨了碳酸钙在盐酸中的溶解过程,包括电离平衡、离子浓度计算,以及溶度积、二氧化碳溢出和一元弱酸盐的对比。重点展示了不同盐酸浓度和碳酸盐溶度积下,碳酸钙和其他盐的溶解情况。

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碳酸钙在盐酸中的溶解分析

在水溶液中,Ca2+Ca^{2+}Ca2+CO32−CO_3^{2-}CO32始终保持电离平衡,其离子积为一个常数:
CaCO3⇌Ca2++CO32−Ksp=[Ca2+][CO32−]=2.8×10−9 CaCO_3 \rightleftharpoons Ca^{2+}+CO_3^{2-}\\ K_{sp}=[Ca^{2+}][CO_3^{2-}]=2.8 \times 10^{-9} CaCO3Ca2++CO32Ksp=[Ca2+][CO32]=2.8×109
碳酸在水中存在如下电离平衡:
CO32−+H+⇌HCO3− ;K2=[H+][CO32−][HCO3−]=10−10.33HCO3−+H+⇌H2CO3 ;K1=[H+][HCO3−][H2CO3]=10−6.35H2CO3⇌CO2+H2O ;Kh=[H2CO3][CO2]=1.70×10−3 CO_3^{2-}+H^+ \rightleftharpoons HCO_3^- \,;\qquad \qquad K_{2}=\frac{[H^+][CO_3^{2-}]}{[HCO_3^-]}=10^{-10.33}\\ HCO_3^-+H^+ \rightleftharpoons H_2CO_3 \,;\qquad \qquad K_{1}=\frac{[H^+][HCO_3^-]}{[H_2CO_3]}=10^{-6.35}\\ H_2CO_3 \rightleftharpoons CO_2+H_2O \,;\qquad \qquad K_{h}=\frac{[H_2CO_3]}{[CO_2]}=1.70\times10^{-3}\\ CO32+H+HCO3;K2=[HCO3][H+][CO32]=1010.33HCO3+H+H2CO3;K1=[H2CO3][H+][HCO3]=106.35H2CO3CO2+H2O;Kh=[CO2][H2CO3]=1.70×103
假设添加的盐酸为c molc\,{\rm mol}cmol,上述3个反应从上到下,参与反应的物质分别为x molx\,{\rm mol}xmoly moly\,{\rm mol}ymolz molz\,{\rm mol}zmol,碳酸钙溶解了w molw\,{\rm mol}wmol,那么:
[H+]=c−x−y,[Ca2+]=w,[CO32−]=w−x,[HCO3−]=x−y,[H2CO3]=y−z,[CO2]=a=1/22.4 [H^+]=c-x-y,\quad [Ca^{2+}]=w,\quad [CO_3^{2-}]=w-x,\quad [HCO_3^-]=x-y,\quad [H_2CO_3]=y-z,\quad [CO_2]=a=1/22.4 [H+]=cxy,[Ca2+]=w,[CO32]=wx,[HCO3]=xy,[H2CO3]=yz,[CO2]=a=1/22.4
由于1升水大概可以溶解1升二氧化碳,所以二氧化碳在水中的浓度为1/22.4,多于的部分会从水中释放出来,根据平衡常数的定义可以建立方程组:
{w(w−x)=Ksp(c−x−y)(w−x)=K2(x−y)(c−x−y)(x−y)=K1(y−z)y−z=Kha(1) \begin{cases} w(w-x)=K_{sp}\\ (c-x-y)(w-x)=K_{2}(x-y)\\ (c-x-y)(x-y)=K_{1}(y-z)\\ y-z=K_ha \end{cases} \tag{1} w(wx)=Ksp(cxy)(wx)=K2(xy)(cxy)(xy)=K1(yz)yz=Kha(1)
代入数据即可解出4个未知数,这里列出不同c值对应的各离子浓度:

[HCl][HCl][HCl][H+][H^+][H+][Ca2+][Ca^{2+}][Ca2+][CO32−][CO_3^{2-}][CO32][HCO3−][HCO_3^-][HCO3][H2CO3][H_2CO_3][H2CO3]
15.321e-70.50003159265.599646e-96.37061e-57.58929e-5
27.522e-71.0000221502.79994e-94.50482e-57.58929e-5
39.22e-71.5000179321.86664e-93.6782e-57.5893e-5
41.064e-62.0000153961.39999e-93.1854e-57.5893e-5
51.189e-62.5000136521.11999e-92.8491e-57.5893e-5

二氧化碳溢出对碳酸钙溶解的影响

由于反应有二氧化碳气体溢出,对反应有促进作用,现在假设生成的碳酸完全不分解,且完全溶于水,看看对碳酸钙溶解的影响有多大。分析过程与上面的类似,唯一不同的是没有碳酸分解为二氧化碳和水的那一步,那么碳酸的浓度为:[H2CO3]=y[H_2CO_3]=y[H2CO3]=y,由此可以建立方程组:
{w(w−x)=Ksp(c−x−y)(w−x)=K2(x−y)(c−x−y)(x−y)=K1y(2) \begin{cases} w(w-x)=K_{sp}\\ (c-x-y)(w-x)=K_{2}(x-y)\\ (c-x-y)(x-y)=K_{1}y\\ \end{cases} \tag{2} w(wx)=Ksp(cxy)(wx)=K2(xy)(cxy)(xy)=K1y(2)
代入数据即可解出3个未知数,这里列出不同c值对应的各离子浓度:

[HCl][HCl][HCl][H+][H^+][H+][Ca2+][Ca^{2+}][Ca2+][CO32−][CO_3^{2-}][CO32][HCO3−][HCO_3^-][HCO3][H2CO3][H_2CO_3][H2CO3]
14.31883e-50.5025506705.571578e-95.1445177e-30.497406147
28.63780e-51.0025356812.79291e-95.1577340e-30.997377944
31.29567e-41.5025163001.86354e-95.162163e-31.497354135
41.72755e-42.0024958141.39825e-95.164381e-31.997331432
52.15945e-42.5024748861.11889e-95.165713e-32.497309171

可以看出二氧化碳是否溢出对碳酸钙的溶解完全没有影响

碳酸盐的溶度积大小对溶解的影响

为了方便对比,这里假设盐酸的浓度均为1 mol/L1\,{\rm mol}/L1mol/L,碳酸盐的溶度积分别设为:1.0×10−101.0\times10^{-10}1.0×10101.0×10−151.0\times10^{-15}1.0×10151.0×10−201.0\times10^{-20}1.0×10201.0×10−251.0\times10^{-25}1.0×10251.0×10−301.0\times10^{-30}1.0×1030

KspK_{sp}Ksp[Ca2+][Ca^{2+}][Ca2+]2[Ca2+][HCl]\frac{2[Ca^{2+}]}{[HCl]}[HCl]2[Ca2+]
1.0e-100.5001.00
1.0e-150.4660.932
1.0e-200.0210.042
1.0e-256.91e-51.38e-4
1.0e-302.18e-74.37e-7

由此可见,如果某种碳酸盐的溶度积小于1×10−201\times 10^{-20}1×1020基本就不溶于稀盐酸了

一般的二元酸盐在盐酸中的溶解度分析

一般的二元盐的溶解度可以由如下方程组确定:
{w(w−x)=Ksp(c−x−y)(w−x)=K2(x−y)(c−x−y)(x−y)=K1y \begin{cases} w(w-x)=K_{sp}\\ (c-x-y)(w-x)=K_{2}(x-y)\\ (c-x-y)(x-y)=K_{1}y\\ \end{cases} w(wx)=Ksp(cxy)(wx)=K2(xy)(cxy)(xy)=K1y
后面两式相乘得到:(c−x−y)2(w−x)=K1K2y(c-x-y)^2(w-x)=K_1K_2y(cxy)2(wx)=K1K2y

然后将上式除以第一式得到:
(c−x−y)2w=K1K2Kspy(3) \frac{(c-x-y)^2}{w}=\frac{K_1K_2}{K_{sp}}y \tag{3} w(cxy)2=KspK1K2y(3)
由前面的计算可知实际每一步的反应都相对比较充分,从而有:x≈y≈wx\approx y \approx wxyw,令x=y=wx=y=wx=y=w并代入上式得到:
(c−2w)2=K2w2,K=K1K2Ksp (c-2w)^2=K^2w^2,\quad\quad K=\sqrt{\frac{K_1K_2}{K_{sp}}} (c2w)2=K2w2,K=KspK1K2
解得:
w=c2±K w=\frac{c}{2\pm K} w=2±Kc
一般的计算可以取如下公式:
w=c2+K,K=K1K2Ksp(4) \color{blue}{w=\frac{c}{2+K}} ,\quad\quad K=\sqrt{\frac{K_1K_2}{K_{sp}}}\tag{4} w=2+Kc,K=KspK1K2(4)
可以验证,采用上式计算出来的结果与精确计算的结果绝对误差小于0.01

对于草酸:pK1=1.25pK_1=1.25pK1=1.25pK2=3.81pK_2=3.81pK2=3.81,常见草酸盐溶度积:

Ksp[CaC2O4]K_{sp}[CaC_2O_4]Ksp[CaC2O4]Ksp[CoC2O4]K_{sp}[CoC_2O_4]Ksp[CoC2O4]Ksp[CuC2O4]K_{sp}[CuC_2O_4]Ksp[CuC2O4]Ksp[MgC2O4]K_{sp}[MgC_2O_4]Ksp[MgC2O4]
2.3e-96.3e-84.43e-104.83e-6

通过公式(4)可以计算不同浓度盐酸溶解草酸盐的情况(括号内为精确计算结果):

c[HCl]c[HCl]c[HCl]K[CaC2O4]=61.5K[CaC_2O_4]=61.5K[CaC2O4]=61.5K[CoC2O4]=11.76K[CoC_2O_4]=11.76K[CoC2O4]=11.76K[CuC2O4]=140.21K[CuC_2O_4]=140.21K[CuC2O4]=140.21K[MgC2O4]=1.34K[MgC_2O_4]=1.34K[MgC2O4]=1.34
1 mol/L0.0157(0.0162)0.0727(0.0750)0.00703(0.0072)0.299(0.319)
5 mol/L0.0787(0.0791)0.3634(0.3658)0.03516(0.03535)1.496(1.516)
10 mol/L0.1574(0.1578)0.7268(0.7292)0.070315(0.07051)2.99(3.01)

可以看出,对于10 mol/L(质量分数32%)的浓盐酸,100mL盐酸大概可以溶解草酸钙的质量为0.0158*128=2.02克,属于可溶(1g~10g),草酸铜则仅能溶解1.06克,接近微溶。如果是1mol/L的稀盐酸则只能溶解0.207克,属于微溶(0.01g~1g)。

一元弱酸盐在盐酸中的溶解

对于一元弱酸盐可以用通式 MAnMA_nMAn 表示,有如下溶解平衡:
MAn⇌Mn++nA−Ksp=[Mn+][A−]nH++A−⇌HAKa=[H+][A−][HA] \begin{aligned} &MA_n \rightleftharpoons M^{n+}+nA^{-} &K_{sp}=[M^{n+}][A^-]^n \\ &H^++A^- \rightleftharpoons HA &K_{a}=\frac{[H^+][A^-]}{[HA]} \\ \end{aligned} MAnMn++nAH++AHAKsp=[Mn+][A]nKa=[HA][H+][A]
设加入盐酸为 c molc\,{\rm mol}cmol,第一式参加反应 w molw\,{\rm mol}wmol,第二式为 x molx\,{\rm mol}xmol,那么:
[H+]=c−x,[A−]=nw−x,[HA]=x,[Mn+]=w [H^+]=c-x,\quad [A^-]=nw-x,\quad [HA]=x,\quad [M^{n+}]=w [H+]=cx,[A]=nwx,[HA]=x,[Mn+]=w
根据平衡方程可以得到:
{(c−x)(nw−x)=Kaxw(nw−x)n=Ksp \begin{cases} (c-x)(nw-x)=K_ax\\ w(nw-x)^n=K_{sp}\\ \end{cases} {(cx)(nwx)=Kaxw(nwx)n=Ksp
第一式的n次方除以第二式得到:
(c−x)nw=KanKspxn \frac{(c-x)^n}{w}=\frac{K_a^n}{K_{sp}}x^n w(cx)n=KspKanxn
一般情况下[A−]<<[Mn+][A^-]<<[M^{n+}][A]<<[Mn+],可以近似认为[A−]=0[A^-]=0[A]=0,从而得到:x=nwx=nwx=nw,代入上式得到:
(c−nw)nw=Knnwn,K=KanKsp \frac{(c-nw)^n}{w}=Kn^nw^n,\qquad K=\frac{K_a^n}{K_{sp}} w(cnw)n=Knnwn,K=KspKan
上式等价于:
(cn−w)n=Kwn+1,cn=cn(5) (c_n-w)^n=Kw^{n+1}, \qquad c_n=\frac{c}{n} \tag{5} (cnw)n=Kwn+1,cn=nc(5)
由上式可以构造递推式:
wi+1=cn1+Kwin w_{i+1}=\frac{c_n}{1+\sqrt[n]{Kw_i}} wi+1=1+nKwicn
如果K比较大,可以有w≈cnKwnw\approx \frac{c_n}{\sqrt[n]{Kw}}wnKwcn,也就是:w=cnn/Kn+1w=\sqrt[n+1]{c_n^n/K}w=n+1cnn/K代入上面递推式得到:
w=cn1+Kcnn+1(6) \color{blue}{w=\frac{c_n}{1+\sqrt[n+1]{Kc_n}}} \tag{6} w=1+n+1Kcncn(6)
再迭代一次可以得到更加准确的值:
w=cn1+Kcn1+Kcnn+1n(7) \color{green}{w=\frac{c_n}{1+\sqrt[n]{\frac{Kc_n}{1+\sqrt[n+1]{Kc_n}}}}} \tag{7} w=1+n1+n+1KcnKcncn(7)
对于n=1时的计算公式为:
w1=2c1+4Kc+1 w_1=\frac{2c}{1+\sqrt{4Kc+1}} w1=1+4Kc+12c

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