高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第3节 沉淀溶解平衡第2课时导学案及答案

第2课时　沉淀溶解平衡的应用

学习目标

1.通过浓度商与Ksp关系的学习,知道根据两者关系判断沉淀溶解平衡移动的方向。

2.通过沉淀溶解平衡移动的学习,了解水溶液中沉淀溶解平衡在化学反应规律研究、物质转化中的应用。

学习任务1　沉淀的溶解与生成

1.沉淀溶解

(1)沉淀溶解原理:沉淀溶解平衡正向移动,使沉淀溶解。从Q与Ksp关系考虑就是使Q<Ksp,平衡右移。

(2)沉淀溶解方法:基本思路是降低沉淀溶解后电离出的某种离子浓度。

①酸溶解:CaCO3溶于盐酸,实质是发生反应2H++CH2O+CO2↑导致c(C)降低,沉淀溶解平衡右移。

②盐溶解:Mg(OH)2溶于NH4Cl溶液,实质是NH4Cl电离产生的N发生反应N+OH-NH3·H2O,导致c(OH-)降低 ,沉淀溶解平衡右移。 

③配位溶解:AgCl溶于氨水,实质是氨水中的NH3与Ag+形成[Ag(NH3)2]+导致c(Ag+)降低,沉淀溶解平衡右移。

④氧化还原溶解:例如CuS溶于硝酸,实质是S2-被硝酸氧化,导致c(S2-)降低 ,沉淀溶解平衡右移。 

2.沉淀生成

(1)沉淀形成原理:沉淀溶解平衡逆向移动,使沉淀生成。从Q与Ksp关系考虑就是使Q>Ksp,平衡左移。

(2)沉淀方法:基本思路是增大沉淀溶解后电离出的某种离子浓度。

①调节pH法:本质是调节c(H+)或c(OH-),使沉淀溶解平衡逆向移动。如提高pH[即增大c(OH-)],使FeCl3溶液生成Fe(OH)3沉淀。

②硫化物法:多数硫化物很难溶解于水,所以向某些金属离子溶液中加入溶解度较大的硫化物(提高S2-浓度),使金属离子形成硫化物沉淀。如CuSO4溶液中通入H2S或加入Na2S,使Cu2+转化为CuS沉淀。

③其他沉淀剂法:如Ba2+沉淀可以加入能产生较高浓度的电解质,Ag+沉淀可以加入能产生较高浓度Cl-的电解质。

微点拨:(1)一般认为当一种离子浓度降至10-5 mol·L-1时即可认为该离子沉淀完全。

(2)沉淀形式相同,沉淀离子浓度相同时,一般Ksp越小的沉淀越优先产生。

牙齿表面的牙釉质起着保护牙齿的作用,其主要成分为Ca5(PO4)3OH(羟基磷酸钙),它是一种难溶电解质,Ca5(PO4)3OH存在平衡:Ca5(PO4)3OH(s)5Ca2+(aq)+3P(aq)+OH-(aq),Ksp=6.8×10-37 mol9·L-9。下面我们从沉淀溶解平衡角度探究如何更好地保护牙齿。

探究　牙齿保护中的沉淀溶解平衡移动

问题1:多吃含钙量高的食品(如牛奶等)对牙齿有保护作用的原理是什么?

提示:多吃含钙量高的食品,增大c(Ca2+),上述沉淀溶解平衡逆向移动有利于保护牙釉质。

问题2:食用酸性食品,尤其是糖类在牙缝隙内转变为酸性物质会破坏牙釉质的原因是什么?

提示:酸性食品产生的H+与OH-反应,导致c(OH-)降低,沉淀溶解平衡右移破坏牙釉质。

问题3:含氟牙膏可以保护牙齿,其作用是在牙齿表面形成一层氟磷灰石Ca5(PO4)3F(Ksp=1.0×10-60 mol9·L-9)保护层,从理论上分析为什么用含氟牙膏能产生保护膜?

提示:由于氟磷灰石的Ksp远小于羟基磷酸钙的,所以用含氟牙膏刷牙时Ca5(PO4)3F(s)5Ca2+(aq)+3P(aq)+F-(aq)平衡逆向移动,在牙齿表面形成一层氟磷灰石膜层,而氟磷灰石沉淀溶解平衡基本不受酸碱性影响。这样就起到了保护作用。

沉淀溶解与生成的原理

(1)沉淀的生成和溶解是两个方向相反的过程,控制离子浓度,改变Q与Ksp关系,可以使沉淀溶解平衡向我们需要的方向转化。

(2)利用生成沉淀除去某种离子,首先要使生成沉淀的反应能够发生,其次沉淀生成的反应进行得越完全越好。

(3)根据平衡移动原理,对于在水中难溶的电解质,如果能设法不断地移去溶解平衡体系中的相应离子(使该离子变为气体、水、易溶配合物或使之氧化为别的微粒),使平衡向沉淀溶解的方向移动,就可以使沉淀溶解。

1.(2021·湖南长沙阶段练习)常温下,已知CaSO4的Ksp=4.9×10-5 mol2·L-2,CaCO3的Ksp=3.6×10-9 mol2·L-2,下列说法正确的是(　A　)

A.该温度下,将5×10-2 mol·L-1氯化钙溶液与2×10-3 mol·L-1硫酸钠溶液等体积混合(忽略体积变化),混合后没有沉淀生成

B.向CaSO4悬浊液中加入稀硫酸,c(S)增大,Ksp增大

C.向只含CaCO3的悬浊液中加入Na2SO4固体至c(S)=8.2×10-2 mol·L-1时,CaCO3开始向CaSO4沉淀转化

D.向只含CaCO3的悬浊液中加入少量的水,c(Ca2+)减小

解析:该温度下,将5×10-2 mol·L-1氯化钙溶液与2×10-3 mol·L-1硫酸钠溶液等体积混合后,溶液中Q=c(Ca2+)×c()=2.5×10-5 mol2·L-2<Ksp(CaSO4)=4.9×10-5 mol2·L-2,因此不能形成沉淀,A正确;溶度积常数只随温度改变,温度不变,则Ksp(CaSO4)不变,B错误;向只含CaCO3的悬浊液中加入Na2SO4固体至c()=8.2×10-2 mol·L-1时,Q=c(Ca2+)×c(S)=4.92×10-6 mol2·L-2<Ksp(CaSO4)=4.9×10-5 mol2·L-2,因此不会实现由CaCO3向CaSO4沉淀转化,C错误;向只含CaCO3的悬浊液中加入少量的水,溶液仍然是CaCO3的饱和溶液,因此溶液中c(Ca2+)不变,D错误。

2.(2021·内蒙古赤峰阶段练习)常温时,Ksp[Mg(OH)2]=1.1×10-11 mol3·L-3,Ksp(AgCl)=1.8×10-10 mol2·L-2,Ksp(Ag2CrO4)=1.9×10-12 mol3·L-3,Ksp(CH3COOAg)=2.3×10-3 mol2·L-2,下列叙述不正确的是(　B　)

A.浓度均为0.2 mol·L-1的AgNO3溶液和CH3COONa溶液等体积混合一定产生CH3COOAg沉淀

B.将0.001 mol·L-1的AgNO3溶液滴入浓度均为0.001 mol·L-1的KCl和K2CrO4的混合溶液中,先产生Ag2CrO4沉淀

C.c(Mg2+)为0.11 mol·L-1的溶液中要产生Mg(OH)2沉淀,溶液的pH要控制在9以上

D.在其他条件不变的情况下,向饱和AgCl水溶液中加入NaCl溶液,Ksp(AgCl)不变

解析:两者等体积混合后,所得混合浓度均为0.1 mol·L-1,c(CH3COO-)·c(Ag+)=0.01 mol2·L-2>2.3×10-3 mol2·L-2,因此一定产生CH3COOAg沉淀,A正确;0.001 mol·L-1的KCl溶液中形成AgCl沉淀时,c(Ag+)= mol·L-1=1.8×10-7 mol·L-1,0.001 mol·L-1的K2CrO4溶液中形成Ag2CrO4沉淀时,c(Ag+)= mol·L-1=×10-5 mol·L-1,则KCl溶液中形成AgCl沉淀时,Ag+浓度小,即AgCl先达到饱和,应先生成AgCl沉淀,B不正确;Ksp[Mg(OH)2]=c(Mg2+)×c2(OH-),c(OH-)≥ mol·L-1,溶液的pH至少要控制在9以上,C正确;Ksp(AgCl)只受温度的影响,与浓度无关,所以在其他条件不变的情况下,向饱和AgCl水溶液中加入NaCl溶液,Ksp(AgCl)不变,D正确。

要形成沉淀除去某种离子,可能有多种沉淀剂。一般形成沉淀的Ksp越小,该离子沉淀越彻底。例如下表中是Pb2+各种沉淀的Ksp数据,显然用S2-沉淀Pb2+效果最好。

学习任务2　沉淀转化

1.沉淀转化本质

两个沉淀溶解平衡的互相影响。一种更难溶的沉淀(Ksp更小)的产生,导致另一种溶解度较大的沉淀溶解。

2.沉淀转化规律

(1)定性判断:一般从易溶→微溶→难溶→更难溶均很容易实现,而从更难溶→难溶→微溶→易溶则不易实现。

(2)定量判断:可以引入转化常数来定量分析,根据两种沉淀的Ksp计算转化常数后判断。

例:两者沉淀溶解平衡表达式为FeS(s)Fe2+(aq)+S2-(aq)　Ksp(FeS)=6.3×10-18 mol2·L-2,CuS(s)Cu2+(aq)+S2-(aq)　Ksp(CuS)=1.3×10-36 mol2·L-2。把后者表达式“颠倒过来”与前者表达式“叠加”得FeS(s)+Cu2+(aq)Fe2+(aq)+CuS(s),此反应平衡常数称转化常数,K==4.85×1018,显然几乎能完全转化,而逆向转化常数K逆=2.1×10-19,说明逆向几乎不能发生。

3.沉淀转化应用 

(1)锅炉除水垢:水垢CaSO4(s)CaCO3(s)Ca2+(aq),有关化学方程式为CaSO4(s)+Na2CO3(aq)CaCO3(s)+Na2SO4(aq)、CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑。

(2)工业处理废水:工业废水处理过程中,重金属离子可利用FeS等难溶物转化为更难溶的HgS、Ag2S、PbS等沉淀。如用FeS除去Hg2+的离子方程式为FeS(s)+Hg2+(aq)HgS(s)+Fe2+(aq)。

(3)水垢的形成:硬水煮沸形成的水垢主要成分是CaCO3和 Mg(OH)2,说明它形成的原因是(用化学方程式表示)Mg(HCO3)2MgCO3↓+H2O+CO2↑,Ca(HCO3)2CaCO3↓+H2O+CO2↑,MgCO3+H2OMg(OH)2+CO2↑。

BaCO3是一种非常重要的无机盐产品,广泛用于工业陶瓷、光学玻璃、建筑等行业。例如用于配制焰火、制信号弹、作陶瓷涂料、制光学玻璃等,还用作杀鼠药、水澄清剂和填料。我们探究通过沉淀转化,利用天然矿物重晶石(BaSO4)生产该物质。

探究　BaSO4与Na2CO3溶液转化为BaCO3

问题1:查阅相关数据知Ksp(BaSO4)=1.1×10-10 mol2·L-2,Ksp(BaCO3)=5.1×10-9 mol2·L-2,请计算硫酸钡转化为碳酸钡的转化常数,并判断该转化难度。

提示:①BaSO4(s)Ba2+(aq)+S(aq)　Ksp(BaSO4)=1.1×10-10 mol2·L-2,②BaCO3(s)Ba2+(aq)+C(aq)　Ksp(BaCO3)=5.1×10-9 mol2·L-2,①-②得BaSO4(s)+C(aq)BaCO3(s)+S(aq)　K=≈0.022,转化常数较小,较难实现。

问题2:1 mol的BaSO4(s)用1 L碳酸钠溶液浸泡,假设能把硫酸钡完全转化为BaCO3(溶液体积不变),则需要碳酸钠溶液浓度至少为多少?

提示:BaSO4(s)+C(aq)BaCO3(s)+S(aq)

起始/mol 1　 n　　　　　　　 0　　　　 0

转化/mol 1　　　　 1　　　　　 1　　　　 1

平衡/mol 0　　　　 n-1　　　　 1　　　　 1

K===0.022,解得n≈46.5,所以c(Na2CO3)=46.5 mol·L-1。

问题3:已知25 ℃下,Na2CO3的溶解度为29.4 g,那么常温下饱和Na2CO3溶液的浓度能否达到46.5 mol·L-1?

提示:c(Na2CO3)=≈2.8 mol·L-1<46.5 mol·L-1,所以碳酸钠饱和溶液的浓度达不到46.5 mol·L-1。

问题4:25 ℃下,用1 L 2.8 mol·L-1的碳酸钠溶液,浸泡1 mol的BaSO4(s),充分转化后(溶液体积不变),硫酸钡转化成碳酸钡的转化率是多少?通过1 L这样的溶液几次浸泡可以把1 mol的BaSO4(s)完全转化为碳酸钡?

提示:BaSO4(s)+C(aq)BaCO3(s)+S(aq)

起始/mol 1  2.8 0 0

转化/mol x　　　　 x　　　　　 x　　　　 x

平衡/mol 1-x　　　 2.8-x　　　 x　　　　 x

K===0.022,解得x≈0.06,α(BaSO4)=×100%=6%。

≈16.7,所以需要浸泡17次才能使硫酸钡完全转化为碳酸钡。

问题5:逆向转化,把1 mol碳酸钡完全转化为硫酸钡(溶液体积不变),需要1 L浓度至少为多少的硫酸钠溶液?

提示:BaSO4(s)+C(aq)BaCO3(s)+S(aq)

K=0.022,K逆=≈45.5,所以逆向转化为

BaCO3(s)+S(aq)BaSO4(s)+C(aq)

起始/mol 1 n 0 0

转化/mol 1 1 1 1

平衡/mol 0 n-1 1 1

K===45.5,解得n≈1.02,所以c(Na2SO4)=1.02 mol·L-1。

问题6:20 ℃时,硫酸钠的溶解度为19.5 g,计算饱和硫酸钠溶液物质的量浓度。上述转化一次浸泡能否使1 mol碳酸钡完全转化为硫酸钡?

提示:c(Na2SO4)=≈1.37 mol·L-1>1.02 mol·L-1,所以仅需一次浸泡即可完全转化。

相同类型沉淀转化解题思维模式

(1)如果是易溶→微溶→难溶→更难溶 ,转化一般无需计算,很容易即可实现。

(2)如果是形式相同→转化一般也无需计算。

(3)如果是→转化,若相差极大(经验规律是相差10-5以上)一般认为不能实现,若相差较小则需通过计算分析。

1.(2021·黑龙江哈尔滨期中)25 ℃时,向AgCl的白色悬浊液中依次加入等浓度的KI溶液和Na2S溶液,先出现黄色沉淀,最终生成黑色沉淀。已知有关物质的颜色和溶度积如下表:

下列叙述不正确的是(　C　)

A.溶度积小的沉淀可以转化为溶度积更小的沉淀

B.若先加入Na2S溶液,再加入KI溶液,则无黄色沉淀产生

C.25 ℃时,饱和AgCl、AgI、Ag2S溶液中所含Ag+的浓度相同

D.25 ℃时,AgCl固体在等物质的量浓度的NaCl、CaCl2溶液中的溶度积相同

解析:向AgCl的白色悬浊液中依次加入等浓度的KI溶液和Na2S溶液,先出现黄色沉淀,最终生成黑色沉淀,说明AgCl可转化为AgI,AgI可转化为Ag2S,再结合溶度积常数可知溶度积小的沉淀可以转化为溶度积更小的沉淀,故A正确;Ag2S溶度积较小,加入Na2S溶液后,溶液中银离子浓度非常小,加入等浓度的KI溶液后,离子的浓度幂之积小于Ksp,不能生成黄色沉淀,故B正确;饱和AgCl、AgI、Ag2S溶液中Ag+的浓度分别为 mol·L-1、 mol·L-1、 mol·

L-1,显然Ag+的浓度不同,故C不正确;溶度积只受温度的影响,故AgCl固体在等物质的量浓度的NaCl、CaCl2溶液中的溶度积相同,故D正确。

2.(2021·山东邹城期中)已知常温下,Ksp(AgCl)=1.8×10-10 mol2·L-2,Ksp(AgBr)=5×10-13 mol2·L-2,下列有关说法不正确的是(　B　)

A.在饱和AgCl、AgBr的混合溶液中:=360

B.AgCl在水中的溶解度及Ksp均比在NaCl溶液中的小

C.向AgCl悬浊液中滴加浓NaBr溶液会产生淡黄色沉淀

D.欲用1 L NaCl溶液将0.01 mol AgBr全部转化为AgCl,则c(NaCl)≥3.61 mol·L-1

解析:在饱和AgCl、AgBr的混合溶液中存在着AgCl和AgBr的沉淀溶解平衡,溶液中的c(Ag+)·c(Cl-)=Ksp(AgCl),c(Ag+)·c(Br-)=Ksp(AgBr),===360,故A正确;NaCl溶液中有Cl-,所以AgCl在水中的溶解度比在NaCl溶液中的大,Ksp只与温度有关,所以AgCl在水中的Ksp和在NaCl溶液的Ksp是相同的,故B不正确;AgCl的Ksp大于AgBr的Ksp,向AgCl悬浊液中滴加浓NaBr溶液,AgCl会转化为AgBr,白色沉淀会转化为淡黄色沉淀,故C正确;欲用1 L NaCl溶液将0.01 mol AgBr全部转化为AgCl,即发生反应Cl-(aq)+AgBr(s)AgCl(s)+Br-(aq),0.01 mol AgBr全部转化为AgCl,则生成的Br-的物质的量为0.01 mol,消耗的Cl-的物质的量也为0.01 mol,假设至少需要Cl-的物质的量为x mol,则剩余的Cl-的物质的量为(x-0.01) mol,溶液体积为1 L,根据反应的化学方程式,可表示该反应的化学平衡常数K=====,可求出x=3.61,则c(NaCl)≥3.61 mol·L-1,故D正确。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为Ksp由小到大的沉淀转化(相同类型)不能实现。一般来讲Ksp由大到小的沉淀转化很容易实现。Ksp由小到大的沉淀转化,如果Ksp差距很大则不能实现,而如果Ksp差距很小则两种沉淀可以互相转化,只是Ksp由小到大的沉淀转化相对较难而已,并非完全不能实现。

2.误认为形式相同的沉淀,一定是Ksp小的优先沉淀,其实形式相同的沉淀,只有沉淀离子浓度相同时一般才是Ksp小的优先沉淀。比如向等浓度的NaCl、NaBr溶液中,滴加硝酸银溶液,由于Ksp(AgBr)<Ksp(AgCl),所以先析出淡黄色溴化银沉淀后析出白色氯化银沉淀。

3.误认为只要Ksp不同的两种沉淀,都可以通过分步沉淀加以分离。其实不然,两种浓度相同的离子,其沉淀形式相同,加入沉淀剂后,Ksp小的优先沉淀,但是两者Ksp相差不大时,Ksp小的没有完全沉淀时,Ksp大的就已经开始沉淀,这样就没法充分分离。比如Ksp[Fe(OH)2]=4.9×10-17 mol3·L-3,Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20 mol3·L-3,向浓度均为0.1 mol·L-1的FeCl2、CuCl2混合溶液中加入氢氧化钠溶液,可以计算出当c(OH-)=4.7×10-8 mol·L-1时Cu2+沉淀完全(Cu2+浓度降至1.0×10-5 mol·L-1),而此时c(Fe2+)≈0.02 mol·L-1(即Fe2+已经沉淀了=80%),据此判断两者不能比较彻底地分离。