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3.4 第2课时　沉淀溶解平衡原理的应用
【学习目标】
1.运用溶度积规则判断沉淀的产生和溶解。
2.能够运用平衡移动的观点对沉淀的溶解、生成和转化进行分析,并能解释一些生活问题。
【合作探究】
任务1　沉淀的溶解和生成
【学习情境】
石灰石岩层在经历了数万年的岁月侵蚀之后,会形成各种奇形异状的溶洞。你知道它们是如何形成的吗
在涉及无机制备、工艺生产、科研、废水处理等领域中,常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。
【新知生成】
1.沉淀的生成
(1)应用:可利用生成沉淀来达到　　　　或除去某些离子的目的。
(2)方法
方法 实例 反应的离子方程式
调节pH法 用Cu(OH)2、CuO等除去CuCl2溶液中的FeCl3 Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+,Cu(OH)2+2H+Cu2++2H2O
沉淀剂法 以Na2S、K2S等作沉淀剂除去污水中的Cu2+等重金属离子 S2-+Cu2+　　
　　2.沉淀的溶解
(1)酸溶解法,如CaCO3溶于盐酸,离子方程式为　　　　　　　　　　　　　。
(2)盐溶液溶解法,如Mg(OH)2溶于NH4Cl溶液,离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】1.(1)分离　(2)CuS↓
2.(1)CaCO3+2H+Ca2++H2O+CO2↑
(2)Mg(OH)2+2NMg2++2NH3·H2O
【核心突破】
典例1　已知298 K时,Mg(OH)2的溶度积常数Ksp=5.6×10-12,取适量MgCl2溶液,加入一定量的烧碱溶液达到沉淀溶解平衡,测得pH=13.0,则下列说法不正确的是(　　)
A.所得溶液中的c(H+)=1.0×10-13 mol·L-1
B.加入Na2CO3固体,可能生成沉淀
C.所加的烧碱溶液pH=13.0
D.所得溶液中的c(Mg2+)=5.6×10-10 mol·L-1
【解析】A项,pH=13的溶液中,c(H+)=1.0×10-13mol·L-1,正确;B项,加入Na2CO3固体,当c(Mg2+)·c(C)>Ksp(MgCO3)时,会生成沉淀,正确;C项,因为向MgCl2溶液中加NaOH溶液后混合溶液的pH=13,所以所加NaOH溶液的pH>13,错误;D项,溶液中的c(Mg2+)=5.6×10-12÷10-2=5.6×10-10mol·L-1,正确。
【答案】C
归纳总结：(1)沉淀的生成
加入沉淀剂,应用同离子效应(当溶液中存在与难溶电解质同种的离子时,难溶物的溶解度将降低,沉淀将更完全),控制溶液的pH,当Qc>Ksp时,有沉淀生成。
(2)沉淀的溶解
当Qc①利用氧化还原反应降低某一离子的浓度;
②生成弱电解质;
③生成络合物,例如银氨溶液的配制。
训练1　在25 ℃时,AgX、AgY、AgZ均难溶于水,且Ksp(AgX)=1.8×10-10,Ksp(AgY)=1.0×10-12,Ksp(AgZ)=8.7×10-17。下列说法错误的是(　　)
A.三种饱和溶液中溶质的物质的量浓度的大小顺序为c(AgX)>c(AgY)>c(AgZ)
B.若向AgY的饱和溶液中加入少量的AgX固体,则c(Y-)减小
C.若取0.188 g的AgY(相对分子质量为188)固体放入100 mL水中(忽略溶液体积的变化),则溶液中Y-的物质的量浓度为1.0×10-2 mol·L-1
D.往C选项的溶液中加入1 mL 0.1 mol·L-1 NaZ溶液,能生成AgZ沉淀
【解析】对于相同类型的难溶电解质,Ksp越大,溶解度越大,A项正确;向AgY饱和溶液中加入溶解度更大的AgX,溶液中Ag+浓度增大,AgY的沉淀溶解平衡逆向移动,Y-浓度减小,B项正确;0.188 g AgY的物质的量为0.001 mol,由AgY的Ksp可知,Y-的浓度远小于1.0×10-2 mol·L-1,C项错误;AgZ的溶解度小于AgY,故加入NaZ,AgY中溶解的Ag+与Z-结合生成沉淀,D项正确。
【答案】C
任务2　沉淀的转化
【学习情境】
在自然界中也发生着溶解度小的矿物转化为溶解度更小的矿物的现象。例如,各种原生铜的硫化物经氧化、淋滤作用后可变成CuSO4溶液,并向深部渗透,遇到深层的闪锌矿(ZnS)和方铅矿(PbS),便慢慢地使它们转化为铜蓝(CuS)。为什么沉淀会发生转化
【新知生成】
沉淀的转化
(1)实质:　　　　　的移动。
(2)特征:①一般来说,溶解度小的沉淀转化为溶解度　　　的沉淀容易实现;②沉淀的溶解度差别　　　,越容易转化。
(3)应用
①锅炉除垢。如将CaSO4转化为CaCO3,反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　。
②矿物转化。如用饱和Na2CO3溶液处理重晶石(BaSO4)制备可溶性钡盐的离子方程式为　　　　　。
【答案】(1)沉淀溶解平衡　(2)更小　越大　(3)①CaSO4(s)+C(aq)CaCO3(s)+S(aq)　②BaSO4(s)+C(aq)BaCO3(s)+S(aq)、BaCO3+2H+Ba2++H2O+CO2↑
【活动探究】
沉淀物转化的实验探究
(1)Ag+的沉淀物的转化
实验步骤
实验现象 有白色沉淀生成 白色沉淀变为黄色 黄色沉淀变为黑色
化学方程式 AgNO3+NaCl AgCl↓+NaNO3 AgCl+KI AgI+KCl 2AgI+Na2S Ag2S+2NaI
实验结论 溶解度小的沉淀可以转化成溶解度更小的沉淀
　　(2)Mg(OH)2与Fe(OH)3的转化
实验步骤
实验现象 产生白色沉淀 产生红褐色沉淀
化学方程式 MgCl2+2NaOHMg(OH)2↓+2NaCl 3Mg(OH)2+2FeCl32Fe(OH)3+3MgCl2
实验结论 Fe(OH)3的溶解度比Mg(OH)2小
归纳总结：沉淀转化的规律
(1)一般来说,溶解度小的沉淀转化为溶解度更小的沉淀容易实现。两者的溶解度差别越大,转化越容易。
(2)当一种试剂能沉淀溶液中的几种离子时,生成沉淀所需要试剂离子浓度越小的越先沉淀。
(3)如果生成各种沉淀所需要试剂离子的浓度相差较大,就能分步沉淀,从而达到分离离子的目的。对于同一类型沉淀,Ksp越小越先沉淀,且Ksp相差越大分步沉淀越完全。
训练2　25 ℃时,三种难溶银盐的Ksp与颜色如下表,下列说法正确的是(　　)
AgCl Ag2CrO4 AgI
颜色 白 砖红 黄
Ksp 1.8×10-10 1.0×10-12 8.5×10-17
A.AgCl、Ag2CrO4、AgI饱和溶液中c(Ag+)依次减小
B.Ag2CrO4饱和溶液中c(Ag+)约为1.0×10-6 mol·L-1
C.向AgCl悬浊液中加入足量KI溶液,沉淀将由白色转化为黄色
D.向等浓度的KCl与K2CrO4混合溶液中滴加少量AgNO3溶液,将生成砖红色沉淀
【解析】由表中数据可知,AgCl饱和溶液中c(Ag+)= mol·L-1=×10-5 mol·L-1,Ag2CrO4饱和溶液中c(Ag+)=mol·L-1=×10-4 mol·L-1,AgI饱和溶液中c(Ag+)= mol·L-1=×10-8.5 mol·L-1,A、B两项错误;AgI的溶度积小于AgCl,溶解度小的沉淀转化为溶解度更小的容易实现,所以向AgCl悬浊液中加入足量KI溶液,可能有黄色沉淀产生,C项正确;由A项可知,饱和溶液中c(Ag+):AgCl【答案】C
任务3　溶度积图像突破方法
【新知生成】
第一步:识图像。认识图像横坐标、纵坐标表示什么,如表示离子浓度、pM等;曲线上的点表示达到平衡状态,曲线外的点代表“过饱和溶液”或“不饱和溶液”。
第二步:想原理。涉及的原理主要有溶度积的表达式、沉淀溶解平衡的影响因素以及溶度积常数的影响因素。如浓度不会改变溶度积,溶度积只与温度有关,大多数情况下,温度越高,溶度积越大。
第三步:找联系。将图像与溶度积原理联系起来,分析题目设置的问题,如求离子浓度、判断沉淀溶解平衡状态等。
【核心突破】
典例2　不同温度(T1和T2)时,硫酸钡在水中的沉淀溶解平衡曲线如图所示,已知硫酸钡在水中溶解时吸收热量。下列说法正确的是(　　)
A.T1>T2
B.加入BaCl2固体,可使a点变成c点
C.c点时,在T1、T2两个温度下均有固体析出
D.a点和b点的Ksp相等
【解析】A项,硫酸钡在水中溶解时吸收热量,温度越高,Ksp越大,在T2时硫酸钡的Ksp大,故T2>T1,错误;B项,硫酸钡溶液中存在沉淀溶解平衡,a点在平衡曲线上,加入BaCl2,会增大c(Ba2+),平衡左移,c(S)降低,所以不能使溶液由a点变到c点,错误;C项,T1时,c点表示Qc>Ksp,溶液饱和,有沉淀析出,T2时,c点表示Qc【答案】D
方法技巧：正确理解难溶电解质(MmNn)溶解平衡曲线
1.曲线上任意点的Ksp都相同,即cm(Mn+)·cn(Nm-)相同,温度相同。
2.曲线外的任意点对应温度下的Ksp与曲线上任意点的Ksp不同,温度不同。
3.实现曲线上点之间的转化需保持温度不变,改变相关微粒浓度;实现曲线上点与曲线外点之间的转化一定得改变温度。
训练3　25 ℃时,用Na2S沉淀Cu2+、Zn2+两种金属离子(M2+),所需S2-最低浓度的对数值lg c(S2-)与lg c(M2+)的关系如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.Na2S溶液中:c(S2-)+c(HS-)+c(H2S)=2c(Na+)
B.25 ℃时Ksp(ZnS)约为1×10-27.5
C.25 ℃时,H2S饱和溶液:[c(H+)]2·c(S2-)=1.0×10-22,将少量CuS固体加入稀硫酸中,CuS不溶解
D.向Cu2+浓度为10-5mol·L-1的工业废水中加入ZnS粉末,会有CuS沉淀析出
【解析】A项,由物料守恒得:2c(S2-)+2c(HS-)+2c(H2S)=c(Na+),错误;B项,Ksp(ZnS)=c(Zn2+)·c(S2-)=10-10×10-17.5=10-27.5,正确;C项,Ksp(CuS)=c(Cu2+)·c(S2-)=10-25×10-10=10-35,若CuS在稀硫酸中溶解,则发生反应CuS+2H+Cu2++H2S↑,K====10-13,故不能溶解,正确;D项,由于CuS的Ksp小于ZnS的Ksp,故向Cu2+浓度为10-5mol·L-1废水中加入ZnS粉末,会有CuS沉淀析出,正确。
【答案】A
课堂小结
【随堂检测】
1.工业上向锅炉里注入Na2CO3溶液浸泡,将水垢中的CaSO4转化为CaCO3,而后用盐酸去除。下列叙述不正确的是(　　)
A.温度升高,Na2CO3溶液的Kw和c(OH-)均会增大
B.沉淀转化的离子方程式为C(aq)+CaSO4(s)CaCO3(s)+S(aq)
C.在盐酸中,CaCO3的溶解度大于CaSO4
D.向Na2CO3溶液中通入CO2后,溶液中阴离子浓度均减小
【解析】温度升高,促进碳酸钠溶液水解,c(OH-)增大,Kw增大,A项正确;加入碳酸钠溶液,把硫酸钙转化为碳酸钙:C(aq)+CaSO4(s)CaCO3(s)+S(aq),B项正确;因为碳酸钙与盐酸反应,而硫酸钙不与盐酸反应,所以在盐酸中碳酸钙的溶解度大于硫酸钙,C项正确;向Na2CO3溶液中通入CO2后,根据反应C+CO2+H2O2HC知,HC的浓度增大,D项错误。
【答案】D
2.已知常温下,Ksp(AgCl)>Ksp(AgBr)>Ksp(AgI)。在含有浓度均为0.01 mol·L-1的Cl-、Br-、I-的溶液中,缓慢且少量地加入AgNO3稀溶液,结合Ksp判断析出三种沉淀的先后顺序是(　　)
A.AgCl、AgBr、AgI
B.AgI、AgBr、AgCl
C.AgBr、AgCl、AgI
D.三种沉淀同时析出
【解析】AgI比AgBr、AgCl更难溶于水,故Ag+不足时先生成AgI,析出沉淀的先后顺序是AgI、AgBr、AgCl。
【答案】B
3.下列说法中正确的是(　　)
A.难溶电解质的Ksp越小,溶解度就一定越小
B.一般认为沉淀离子浓度小于1.0×10-5 mol·L-1时,沉淀就达完全
C.用饱和Na2CO3溶液可以将BaSO4转化为BaCO3,说明Ksp(BaCO3)小于Ksp(BaSO4)
D.向含AgCl沉淀的悬浊液中加入NaCl饱和溶液,AgCl的溶解度变小,溶度积常数变小
【解析】A项,Ksp越小,电解质的溶解度不一定越小,溶解度还取决于溶液的类型和浓度关系,以及物质的摩尔质量等因素,错误;B项,当离子浓度小于1.0×10-5mol·L-1时,可认为沉淀完全,正确;C项,BaSO4饱和溶液中加入饱和Na2CO3溶液有白色沉淀生成,是因为碳酸根离子浓度大,和钡离子浓度乘积等于碳酸钡的Ksp,实际Ksp(BaCO3)大于Ksp(BaSO4),错误;D项,溶度积常数与温度有关,与溶液类型以及浓度无关,错误。
【答案】B
4.化工生产中常用MnS作沉淀剂除去工业废水中的Cu2+:Cu2+(aq)+MnS(s)CuS(s)+Mn2+(aq),下列说法错误的是(　　)
A.相同条件下,MnS的Ksp比CuS的Ksp大
B.该反应的平衡常数K=
C.该反应达到平衡时c(Mn2+)=c(Cu2+)
D.往平衡体系中加入少量CuSO4固体后,c(Mn2+)变大
【解析】A项,沉淀易向更难溶的方向转化,根据化学方程式可知,相同条件下,MnS的Ksp比CuS的Ksp大,正确;B项,平衡常数K==,正确;C 项,平衡时浓度不再发生变化,但c(Mn2+)与c(Cu2+)不一定相等,错误;D项,往平衡体系中加入少量CuSO4固体后,c(Cu2+)增大,平衡向正反应方向移动,则c(Mn2+)变大,正确。
【答案】C
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