内容正文:
人教版选择性必修 1
第三章 水溶液中的离子反应与平衡
第2课时 沉淀溶解平衡的应用
第4节
沉淀溶解平衡
1
沉淀的溶解
2
沉淀的生成
1
沉淀的转化
3
学习内容导览
2
1.通过实验了解沉淀的生成、溶解与转化,能应用化学平衡理论解释沉淀的生成、溶解和转化。
2.能综合运用离子反应和沉淀溶解平衡理论,分析和解决生产、生活中有关沉淀溶解平衡的实际问题。
重点:沉淀溶解、生成及转化的基本原理;
难点:沉淀溶解、生成、转化的应用。
素养锚定·课标定位
美丽的沉淀反应
沉淀溶解平衡在生产、科研和环保等领域具有广泛的应用。
难溶电解质的沉淀溶解平衡是动态平衡,我们可以通过改变条件,使平衡向着需要的方向移动——溶液中的离子转化为沉淀,或沉淀转化为溶液中的离子。
赵健
情境启思·任务缘起
沉淀的生成
01
5
任务一
工业废水中含有哪些金属离子?如何除去这些金属离子呢?
一、沉淀的生成
查阅(25 ℃)常见难溶电解质的溶度积常数,能否给你一些启示呢?
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一、沉淀的生成
化学式 Ksp 化学式 Ksp
AgCl 1.8×10-10 CuS 6.3×10-36
AgBr 5.4×10-13 ZnS 1.6×10-24
AgI 8.5×10-17 PbS 8.0×10-28
Ag2S 6.3×10-50 FeS 6.3×10-18
Ag2SO4 1.2×10-5 HgS 1.6×10-52
常见难溶电解质的溶度积常数(25 ℃)
任务一
工业废水中含有哪些金属离子?如何除去这些金属离子呢?
在工业废水处理过程中(如图 3-14),以Na2S 作沉淀剂,使废水中的某些金属离子如Cu2+、Hg2+等,生成极难溶的CuS、HgS 等沉淀而除去,也是分离、除去杂质常用的方法。
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1.应用:
知识总结
在无机物的制备和提纯、废水处理等领域,常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。
一、沉淀的生成
进水
预处理设备
混合
投药
药剂设备
部分回流
沉淀物处理设备
沉淀物排除
反应沉淀
补充处理
出水
2.原理:
通过加入沉淀剂,或应用同离子效应,或控制溶液的PH, Q>Ksp,生成溶解度小的沉淀,溶解度越小越好。
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知识总结
3.沉淀的方法
⑴调节pH法
①工业原料氯化铵中含杂质氯化铁,将含杂质的氯化铵溶解于水,再加入氨水调节pH,可使 Fe3+生成 Fe(OH)3 沉淀而除去。
一、沉淀的生成
Fe3++3NH3·H2O=Fe(OH)3↓+3NH4+
②加入氨水调节pH,使Q[Fe(OH)3]>Ksp[Fe(OH)3]可使Fe3+转变为Fe(OH)3沉淀而除去。
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任务二
若使Fe3+沉淀完全需要调节溶液的pH至少为多少?
一、沉淀的生成
Fe3++3NH3·H2O=Fe(OH)3↓+3NH4+
25 ℃难溶电解质Fe(OH)3 的Ksp = 2.8×10-39
Fe(OH)3(s) Fe3+(aq) + 3OH-(aq)
Ksp = c(Fe3+)·c3(OH-)
当溶液中Fe3+的浓度为1×10-5 mol/L时:
=
Ksp
2.8×10-39
c(Fe3+)
=
2.8×10-34
1.0×10-5
c3(OH-) =
6.5×10-12 mol/L
c(OH-) =
pH ≈ 2.8
调节溶液的pH>2.8,可认为完全沉淀了Fe3+。
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10
知识总结
一、沉淀的生成
3.沉淀的方法
⑴调节pH法
NH4Cl
FeCl3
溶解
氨水
NH4Cl溶液
Fe(OH)3沉淀
Fe3++3NH3·H2O=Fe(OH)3↓+3NH4+
③调节溶液的pH≥2.8,可认为完全沉淀了Fe3+。
④沉淀除杂原则:选择生成Ksp 尽量小的沉淀
不引入新的粒子
不消耗其他原料
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【例1】在粗制CuSO4 ·5H2O 晶体中常含有杂质Fe2+。在提纯时,为了除去Fe2+,常加入少量H2O2 溶液,使Fe2+氧化为Fe3+,然后调节溶液pH=4,可以达到除去Fe3+而不损失CuSO4 的目的。请查阅附录Ⅲ,通过计算解释原因(已知25 ℃时CuSO4 饱和溶液中Cu2+的物质的量浓度为1.41 mol/L)。
一、沉淀的生成
Ksp[Fe(OH)2]=4.9×10-17 Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39 Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20
当pH=4时, c(OH-)=10-10mol/L
此时,c(Fe3+)=
2.8×10-39
(10-10)3
= 2.8×10-9mol/L
<1×10-5mol/L
Fe3+已沉淀完全
若此时为CuSO4的饱和溶液
Q =c(Cu2+)·c2(OH-)=1.41×(10-10)2 =1.41×10-20
Q <Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20
即Cu(OH)2不会析出
若此时为CuSO4的不饱和溶液
c(Cu2+)<=1.41mol/L
同样有Q <Ksp[Cu(OH)2]
因此可以达到除去Fe2+而不损失CuSO4的目的
典例剖析·逻辑释疑
知识总结
3.沉淀的方法
⑴调节pH法
一、沉淀的生成
常用氧化剂:硝酸、高锰酸钾、氯气、氧气、双氧水等。
调pH可用:MO、MOH、MCO3等(M为目标元素,不引入新杂质)。
pH的调节范围:pH最小值要能使杂质离子沉淀完全,pH最大值不能使目标离子开始沉淀。
Fe2+
Fe3+
氧化剂
调pH
Fe(OH)3
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meiyangyang8602
【例2】如CuCl2溶液中混有FeCl2 该如何除去?
①可以加入什么物质来调节pH?
②调节pH的范围?
③为什么需要先将Fe2+氧化为Fe3+?若不氧化会出现什么情况?
一、沉淀的生成
加入Cu(OH)2、CuO、碱式碳酸铜等
Fe2+在pH为6.95时开始沉淀,此时Cu2+已经沉淀,pH为8.95时Fe2+沉淀完全,Cu2+也已经沉淀完全,若没有氧化Fe2+直接调pH不能达到除杂目的
氢氧化物 开始沉淀时的pH值(0.1mol/L) 沉淀完全时的pH值(<10-5 mol/L)
Fe2+ 6.95 8.95
Cu2+ 4.42 6.67
Fe3+ 1.87 3.2
方法:向溶液加入少量的H2O2,使Fe2+氧化成Fe3+,然后再加入Cu(OH)2或CuO或Cu2(OH)2CO3调节pH至3.2≤pH<4.42,再将生成的Fe(OH)3沉淀过滤除去。
典例剖析·逻辑释疑
知识总结
3.沉淀的方法
一、沉淀的生成
⑵加沉淀剂法
在工业废水处理过程中,以Na2S 作沉淀剂,使废水中的某些金属离子如Cu2+、Hg2+等,生成极难溶的CuS、HgS 等沉淀而除去,也是分离、除去杂质常用的方法。
Na2S作沉淀剂:
H2S作沉淀剂:
Cu2++H2S = CuS↓+2H+
Cu2++S2-= CuS↓
Hg2++S2-= HgS↓
Hg2++H2S = HgS↓+2H+
①一般来说,当溶液中有多种可以沉淀的离子且生成相同类型的沉淀时,越难溶(Ksp越小)的越先沉淀。(沉淀类型不同,要通过计算确定)
②当离子浓度小于1×10-5 mol·L-1时,认为已完全沉淀。
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15
任务三
利用生成沉淀分离或除去某种离子的要求
一、沉淀的生成
利用生成沉淀分离或除去某种离子,首先要使生成沉淀的反应能够发生;其次希望沉淀反应完成后,溶液中剩余离子的浓度能够尽量小。
(1)如果要除去某溶液中的SO42-,你选择加入钙盐还是钡盐?为什么?
(2)如何使沉淀反应完成后,溶液中剩余离子的浓度能够尽量小?
(1)钡盐,因为Ksp(BaSO4)<Ksp(CaSO4),向溶液分别加入等物质的量的钡盐和钙盐,钡盐使溶液中剩余的c(SO42-)较小。
(2)增大所用沉淀剂的浓度,有利于反应向沉淀生成的方向进行。
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沉淀的溶解
02
17
任务四
水垢含有什么物质?如何除去这些水垢?
二、沉淀的溶解
烧水壶的水垢
锅炉及其管道内的水垢
水垢含有Mg(OH)2、CaCO3、CaSO4等
“酸洗”(盐酸浸泡)
请运用沉淀溶解平衡的原理解释原因
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18
知识总结
1.原理:
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平衡体系中的相应离子,使平衡向沉淀溶解的方向移动,就可以使沉淀溶解。
实质——使Q < Ksp
二、沉淀的溶解
运用沉淀溶解平衡解释稀盐酸除碳酸钙的原理
+ H+
H2CO3 H2O + CO2↑
+ H+
HCO3- (aq)
CaCO3(s) ⇌ CO32- (aq) + Ca2+(aq)
CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + H2O + CO2↑
CO2气体的生成和逸出,使CO32- 的浓度不断减小,使Q c< Ksp,平衡向沉淀溶解的方向移动。只要盐酸足够,沉淀完全溶解。
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任务五
实验验证:稀盐酸溶解氢氧化镁的沉淀溶解
二、沉淀的溶解
向两支盛有少量Mg(OH)2 固体的试管中分别滴加适量的蒸馏水和盐酸,观察并记录现象。
(1)写出实验3-3
中有关反应的化学方
程式。
(2)应用平衡移
动原理分析、解释实
验3-3 中发生的反应。
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Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + H2O
二、沉淀的溶解
任务五
实验验证:稀盐酸溶解氢氧化镁的沉淀溶解
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2.沉淀溶解方法:
知识总结
加酸、碱、盐、强氧化剂等
3.实验验证溶解氢氧化镁
二、沉淀的溶解
滴加的试剂 蒸馏水 盐酸
现象
固体无明显溶解现象,(滴加酚酞溶液变浅红)
迅速溶解
Mg(OH)2(s) ⇌Mg2+(aq) + 2OH-(aq)
Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O
⑴酸溶解法
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3.实验验证稀盐酸溶解氢氧化镁
知识总结
应用平衡移动原理分析、解释实验中发生的反应。
二、沉淀的溶解
Mg(OH)2(s) ⇌Mg2+(aq) + 2OH-(aq)
+H+
H2O(l)
对于Mg(OH)2的沉淀溶解平衡,H+与OH-反应,使c(OH-)减小,使Q <Ksp,平衡向沉淀溶解的方向移动。只要盐酸足够,沉淀完全溶解。
⑴酸溶解法
分层研学·探理悟新
知识总结
3.实验验证溶解氢氧化镁
⑵盐溶解法
向盛有少量Mg(OH)2固体的试管中滴加适量NH4Cl溶液,观察现象
二、沉淀的溶解
分层研学·探理悟新
知识总结
3.实验验证溶解氢氧化镁
⑵盐溶解法
二、沉淀的溶解
滴加的试剂 蒸馏水 盐酸 NH4Cl溶液
现象
固体无明显溶解现象,(滴加酚酞溶液变浅红)
迅速溶解
逐渐溶解
Mg(OH)2+2NH4Cl = MgCl2+ 2NH3·H2O
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知识总结
二、沉淀的溶解
3.实验验证溶解氢氧化镁
⑵盐溶解法
用平衡移动的原理分析Mg(OH)2溶于盐酸和NH4Cl溶液的原因
Mg(OH)2(s) ⇌ Mg² + 2OHˉ
+
2NH4 +2H2O ⇌ 2NH3·H2O+2H
+
+
2H2O
+
可能原因②
Mg(OH)2(s) ⇌ Mg² + 2OHˉ
2NH4Cl = 2Clˉ + 2NH4
2NH3·H2O
+
+
+
可能原因①
实验证明NH4Cl溶液可以溶解Mg(OH)2 的主要原因是NH4+直接结合OH-,使OH-降低,平衡正向移动。①正确
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沉淀的转化
03
27
任务六
思考:水垢中含有CaSO4,也能用盐酸除去吗?
CaSO4(s) Ca2+(aq) + SO42- (aq)
H+ + Cl- == HCl
对该沉淀溶解平衡无影响
除去水垢中的CaSO4,用Na2CO3溶液浸泡一段时间,再以盐酸浸泡,可除去CaSO4
生成CaCO3
酸洗
除去
平衡
向溶解的方向
移动
CaSO4
溶解
加
Na2CO3
Q < Ksp
消耗
Ca2+
c(Ca2+ )
减小
CaSO4 → CaCO3 沉淀的转化
三、沉淀的转化
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知识总结
1.用化学平衡的原理解释CaSO4 → CaCO3 沉淀的转化
三、沉淀的转化
K =
c(SO )
2−
4
c(CO )
2−
3
=
c(CO )·c (Ca2+)
2−
3
c(SO )·c (Ca2+)
2−
4
=
Ksp (CaSO4)
Ksp (CaCO3)
4.9×10-5
3.4×10-9
=
≈
1.4×104
上述沉淀的转化过程离子方程式可以表示为:
说明该转化比较完全
在什么条件下能实现沉淀的转化呢?
CaSO4(s) + CO32-(aq) CaCO3 (s) + SO42-(aq)
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知识总结
2.沉淀的转化实质:
沉淀溶解平衡的移动
三、沉淀的转化
3.沉淀的转化规律:
(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,生成沉淀时所需试剂离子浓度越小的越先沉淀。
(3)如果生成各种沉淀所需试剂离子的浓度相差较大,就能实现分步沉淀,从而达到提纯、分离的目的。
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任务七
实验验证沉淀的转化
三、沉淀的转化
(1)向盛有2 mL 0.1 mol/L NaCl 溶液的试管中滴加2
滴0.1 mol/L AgNO3 溶液,观察并记录现象。
(2)振荡试管,然后向其中滴加4 滴0.1 mol/L KI 溶
液,观察并记录现象。
(3)振荡试管,然后再向其中滴加8 滴0.1 mol/L Na2 S
溶液,观察并记录现象。
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三、沉淀的转化
任务七
实验验证沉淀的转化
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知识总结
4.实验验证沉淀的转化
⑴AgCl → AgI → Ag2S
三、沉淀的转化
步骤 (1) (2) (3)
现象
生成白色沉淀
生成黄色沉淀
生成黑色沉淀
AgNO3+NaCl = AgCl↓(白色)+NaNO3
AgCl+KI = AgI↓(黄色)+KCl
2AgI+Na2S = Ag2S↓(黑色)+2NaI
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知识总结
4.实验验证沉淀的转化
⑴AgCl → AgI → Ag2S
用平衡移动的原理分析
三、沉淀的转化
AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) +Cl-(aq)
+
KI = I- + K+
AgI
2AgI(s) ⇌ 2Ag+ (aq)+2I-(aq)
Na2S = S2- + 2Na+
+
Ag2S
已知AgCl、 AgI和Ag2S的KSP为1.8×10-10、8.3×10-17、1.6×10-49,分析沉淀转化的方向。
实验说明:沉淀可以从溶解度小的向溶解度更小的方向转化。
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三、沉淀的转化
任务七
实验验证沉淀的转化
(1)向盛有2 mL 0.1 mol/L MgCl2 溶液的试管中滴加
2~4 滴2 mol/L NaOH 溶液,观察并记录现象。
(2)向上述试管中滴加4 滴0.1 mol/L FeCl3 溶液,静
置,观察并记录现象。
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三、沉淀的转化
任务七
实验验证沉淀的转化
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知识总结
4.实验验证沉淀的转化
⑵Mg(OH)2 → Fe(OH)3
三、沉淀的转化
Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2↓
3Mg(OH)2(s) + 2Fe3+(aq) ⇌ 2Fe(OH)3(s) + 3Mg 2+(aq)
步骤 (1) (2)
现象
产生白色沉淀
白色沉淀转化为红褐色沉淀
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37
知识总结
4.实验验证沉淀的转化
⑵Mg(OH)2 → Fe(OH)3
用平衡移动的原理分析
三、沉淀的转化
Mg(OH)2 (s) Mg2+(aq)+2OH-(aq)
+
Fe3+(aq)
白色
Fe(OH)3(s) 红褐色
3Mg(OH)2(s) + 2Fe+3(aq) ⇌ 2Fe(OH)3(s) + 3Mg 2+(aq)
Ksp[Mg(OH)2] = 5.6×10-12
Ksp[Fe(OH)3] = 2.8×10-39
Fe3+结合溶解产生的OH -,生成溶解度更小的Fe(OH)3促进Mg(OH)2的溶解平衡正向移动。
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三、沉淀的转化
任务八
由溶解度小的沉淀转化为溶解度大的沉淀能否实现?
BaSO4(Ksp=1.07×10-10)、BaCO3(Ksp=2.58×10-9)
BaSO4 Ba2++SO42-
CO32-
+
BaCO3
(浓度较大)
BaSO4+CO32- BaCO3+SO42-
只要使离子积 Q > Ksp溶解度小的沉淀也可以转化为溶解度大的沉淀。
分层研学·探理悟新
【例3】计算当CO32-的浓度达到SO42-浓度的多少倍数时,才能实现
由BaSO4转化成BaCO3沉淀。KSP(BaSO4) =1.1×10-10 KSP(BaCO3) =2.58×10-9
BaSO4 + CO32- BaCO3 +SO42-
则该反应的平衡常数K=
c(SO42-)
c(CO32-)
c(SO42-)·c(Ba2+)
c(CO32-) ·c(Ba2+)
=
KSP(BaSO4)
KSP(BaCO3)
=
1.1×10-10
2.58×10-9
=
当QC<K ,反应向正方向进行
c(SO42-)
c(CO32-)
<
c(CO32-)
c(SO42-)
>
=23.5
1.1×10-10
2.58×10-9
2.58×10-9
1.1×10-10
三、沉淀的转化
典例剖析·逻辑释疑
三、沉淀的转化
任务九
探讨:沉淀的转化在科研和生产中具有重要的应用价值。
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5.沉淀转化的应用
⑴锅炉除水垢 :(含有CaSO4)
先加Na2CO3溶液,再加稀盐酸
三、沉淀的转化
CaSO4(s) + Na2CO3 CaCO3(s) + Na2SO4
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑
⑵自然界中矿物的转化:
自然界中,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)。
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知识总结
5.沉淀转化的应用
⑵自然界中矿物的转化:
三、沉淀的转化
闪锌矿(ZnS)存在沉淀溶解平衡:
ZnS(s) S2-(aq) + Zn2+(aq)
+
Cu2+(aq)
CuS(s)
Ksp = 6.3×10-36
Ksp = 1.6×10-24
ZnS(s) + Cu2+(aq) CuS (s) + Zn2+(aq)
方铅矿(PbS)存在沉淀溶解平衡:
+
Cu2+(aq)
CuS(s)
PbS(s) S2-(aq) + Pb2+(aq)
Ksp = 6.3×10-36
Ksp = 8.0×10-28
PbS(s) + Cu2+(aq) CuS (s) + Pb2+(aq)
分层研学·探理悟新
知识总结
5.沉淀转化的应用
⑶氟化物预防龋齿:
三、沉淀的转化
牙齿表面釉质层的主要成分——难溶的羟基磷灰石[Ca5(PO4)3(OH)]
Ca5(PO4)3OH(s) ⇌5Ca2+(aq) + 3PO43- (aq) + OH-(aq)
Ca5(PO4)3(OH)(s) + F-(aq) Ca5(PO4)3F(s) + OH-(aq)
氟离子与羟基磷灰石反应,生成溶解度更小的氟磷灰石
氟磷灰石的溶解度比羟基磷灰石的溶解度更小,更能抵抗酸的侵蚀,氟离子还能抑制口腔细菌产生酸。
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【例4】现进行下列实验:
下列关于上述实验的分析错误的是( )
A.悬浊液a中存在沉淀溶解平衡:AgCl(s)Ag+ (aq)+ Cl-(aq)
B.滤液b中不含Ag+
C.步骤Ⅲ表明AgCl转化为AgI
D.该实验可以证明:Ksp(AgCl)>Ksp(AgI)
实验步骤 实验内容
Ⅰ 将0.1mol·L-1AgNO3溶液和0.1mol·L-1NaCl溶液等体积混合,得到悬浊液a,将悬浊液a过滤,得到滤液b和白色沉淀c
Ⅱ 向滤液b中滴加0.1mol·L-1KI溶液,滤液出现浑浊
Ⅲ 向沉淀c中滴加0.1mol·L-1KI溶液,沉淀变为黄色
B
三、沉淀的转化
典例剖析·逻辑释疑
沉淀溶解平衡的应用
沉淀的生成
沉淀的溶解
应用
原理
沉淀的方法
原理
沉淀溶解方法
实验验证溶解氢氧化镁
沉淀的转化
实验验证沉淀的转化
用化学平衡的原理解释CaSO4 → CaCO3 沉淀的转化
沉淀的转化实质
沉淀的转化规律
沉淀转化的应用
体系梳整·认知升华
1.已知25℃时,Ksp[Mg(OH)2]=1.8×10-11、Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20。在c(Mg2+)=c(Cu2+)的酸性溶液中,逐滴加入NaOH稀溶液使pH慢慢増大,下列判断正确的是( )
A.Mg2+先沉淀
B.Cu2+先沉淀
C.同时沉淀
D.Mg2+和Cu2+均不可能沉淀
B
当堂诊学·成效校验
2.某pH=1的ZnCl2和HCl的混合溶液中含有FeCl3杂质,为了除去FeCl3杂质,需将溶液调至pH=4。在调节溶液pH时,应选用的试剂是( )
A.NaOH B.ZnO C.ZnSO4 D.Fe2O3
B
B
3.已知:Ksp(ZnS)>Ksp(CuS),在有白色固体ZnS存在的饱和溶液中滴加适量CuSO4溶液,产生的实验现象是( )
A.固体逐渐溶解,最后消失
B.固体由白色变为黑色
C.固体颜色变化但质量不变
D.固体逐渐增多,但颜色不变
当堂诊学·成效校验
B
4.向ZnSO4溶液中加入Na2S溶液时,得到白色沉淀,然后向白色沉淀上滴加CuSO4溶液,发现沉淀变为黑色,则下列说法不正确的是( )
A.白色沉淀为ZnS,而黑色沉淀为CuS
B.上述现象说明ZnS的Ksp小于CuS的Ksp
C.利用该原理可实现一种沉淀转化为更难溶的沉淀
D.该过程破坏了ZnS的溶解平衡
当堂诊学·成效校验
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