大家曾經參觀過鐘乳石洞嗎？ 鐘乳石洞又稱為喀斯特地形 主要成分為碳酸鈣 屬難溶於水的鹽類 對水的溶解度相當低 但當地表水溶解空氣中的二氧化碳形成碳酸時 偏酸性的水溶液就可將碳酸鈣為主要成分的岩層 轉變成溶解度較高的碳酸氫鈣 經過數百萬年的溶解作用就可生成洞穴 而在洞穴中又因為水溶液中二氧化碳分子的逸出 或水的蒸發現象 使碳酸氫鈣再度轉變成碳酸鈣沉積 即為我們常在鐘乳石洞中看到的 洞穴、石鐘乳、石筍與石柱形成的原因 物質對水的溶解度是指在定溫的條件下 該物質在水中能溶解的最大量 而溶度積則是指當物質在達到溶解平衡時 其濃度所對應的離子積 由平衡的系統可瞭解當水溶液中溶質的濃度超過其溶解度時 則會發生沉澱 反之則可繼續溶解溶質 因此 碳酸鈣在不同環境下對水的溶解度也會有顯著差異 這就是產生喀斯特地形的重要關鍵 我們以前曾經學過溶解度的概念 溶解度的定義為定溫下已溶解了最大量溶質的溶液 飽和溶液 於飽和溶液中溶質的濃度即為溶解度 溶解度常使用的單位為每100公克的水可溶解的溶質克數 但溶解度亦可用體積莫耳濃度來表示 倘若溶質為可完全解離的鹽類化合物 則1莫耳的此化合物溶於水後可產生 m莫耳的A離子與n莫耳的B離子 依此類推 若溶解度以體積莫耳濃度表示為s時 則水溶液中A離子濃度為ms B離子濃度為ns 另外於前一單元中 我們學到利用溶解平衡討論溶度積 如果化合物為一難溶鹽 溶於水的部分可完全解離 應該如何表示此化合物的平衡反應方程式與溶度積呢？ 可以寫做畫面上的式子喔！ 既然溶解度與溶度積均描述飽和溶液中溶質的濃度大小 是否可以找到溶解度與溶度積之間的關連性呢？ 已知反應式如畫面所示 其溶解度為s 則飽和水溶液中A離子濃度為ms B離子濃度為ns 也就是說溶度積常數會等於畫面上的式子 以碳酸鈣為例 其溶度積常數為4.9乘以10的負9次方 飽和溶液中其碳酸鈣的溶解度為s 則水溶液中鈣離子的濃度為s 碳酸根離子的濃度為s 而算式如畫面所示 碳酸鈣在純水中的溶解度s 為溶度積常數的開根號 等於7.0乘以10的負5次方 還記得高一時做過的黃金雨實驗嗎？ 黃金雨實驗是將高溫硝酸鉛水溶液 與碘化鉀水溶液混合 當溶液中碘離子與鉛離子的濃度 大於水溶液能溶解的最大量時 溶液中的鉛離子與碘離子 會形成難溶於水的美麗金黃色沉澱物碘化鉛 那我們怎麼知道陰、陽離子的濃度分別要多少 才能產生碘化鉛沉澱呢？ 這就要透過碘化鉛的溶度積常數來計算了 假設飽和溶液中碘化鉛的溶解度是s 寫出平衡反應式後可知 水溶液中鉛離子的濃度為s 碘離子的濃度為2s 而算式如畫面所示 所以我們可以算出碘化鉛在水中的溶解度s 為溶度積常數除以4再開三次方 約為1.3乘以10的負三次方 接下來我們用氯化亞汞練習溶解度的計算吧！ 這裡須特別注意亞汞離子的化學式喔！ 氯化亞汞在水中的溶解度s 為溶度積常數除以4再開三次方 約為8.7乘以10的負7次方 我們再用鉻酸銀來練習一次鉻酸銀的部分 我們以相同的方法處理 而鉻酸銀在水中的溶解度約為7.8乘以10的負5次方 相信經過講解 同學們已經學會溶度積與溶解度的關係了 除了剛剛的例子之外 這裡也列出其他常見的難溶鹽類的溶度積常數值 以及溶度積常數與溶解度的關係 同學們也可以試著自己推算一次喔！ 由上述的討論可知 難溶鹽飽和溶液中溶質的溶解度可由溶度積常數計算而得 也就是飽和溶液中 水溶液中各離子體積莫耳濃度冪次乘積 恰可等於溶度積常數 以化學平衡的觀點而言 水溶液中各離子體積莫耳濃度冪次乘積 可稱為反應商Q 或稱為離子積 當反應商等於溶度積常數時 恰為飽和溶液 當反應商小於溶度積常數時 則溶液尚未達飽和 當反應商大於溶度積常數時 則會有溶質沉澱析出 直到反應商等於溶度積常數為止 回到影片一開始的碳酸鈣 我們已經知道碳酸鈣的溶度積常數為 4.9乘以10的負9次方 那如果我們將2乘10的負4次方的氯化鈣 與1乘10的負3次方的碳酸鈉兩溶液等體積混合 會不會得到碳酸鈣沉澱呢？ 由於是等體積混合 混合後得到的濃度會是原來的一半 因此溶液中的鈣離子濃度 和碳酸根離子濃度如畫面所示 而反應商會等於鈣離子濃度的1次方 乘上碳酸根離子的1次方的值 因為反應商大於溶度積常數 代表反應是朝向沉澱的方向進行 因此溶液中會產生碳酸鈣沉澱 直到系統再度達溶解平衡為止 相信同學們也學會反應商和溶度積常數與溶液中沉澱的關係 假設有一杯飽和碳酸鈣水溶液 這時候在這杯溶液中加入碳酸鈉粉末 以提升碳酸根離子濃度 根據勒沙特列原理 溶液動態平衡就會被破壞 反應會往沉澱的方向進行 此現象稱為同離子效應 而同離子效應是指在鹽類水溶液中 加入與組成該鹽類化合物相同的離子時 會抑制該鹽的溶解 使鹽的溶解度下降產生沉澱 以碳酸鈣在純水中與在0.1M碳酸鈉中的溶解度來舉例 碳酸鈣於純水中的溶解度s如畫面所示 那在0.1M碳酸鈉中呢？ 根據畫面所列的算式 可以寫出溶度積常數與溶解度s的關係式 並且我們假設碳酸鈣在0.1 M碳酸鈉水溶液中的溶解度 會遠小於0.1 M 碳酸根離子的濃度 就可以直接視為0.1 M 因此可估算出s約等於4.9乘10的負8次方 此時別忘了回頭檢查先前的假設是否正確！ 沒錯 溶解度s確實遠小於0.1 M 由此可知 碳酸鈣在純水中與0.1M碳酸鈉溶液中的溶解度 相差了約1500倍 在0.1 M碳酸鈉中的溶解度明顯低於在純水中 這是因為碳酸鈉溶液中具有與碳酸鈣的組成相同的「碳酸根離子」 因此使碳酸鈣溶解度下降 最後來做個重點整理吧！ 與1.0 M的條件下 三者鎘離子的體積莫耳濃度大小 三者鎘離子的體積莫耳濃度大小 今天的影片中我們學習了如何求出溶解度與溶度積的關係式 並將溶度積運用在沉澱的判斷上 最後也學習了同離子效應的定義 同離子效應可以應用在清除廢水的重金屬離子上 廢水中含有鉛 汞等重金屬離子時 可以在水中加入大量的氫氧化鈉 其產生的氫氧根離子與鉛、汞離子結合後 就會產生氫氧化鉛、氧化汞沉澱 其實沉澱、溶度積、同離子效應等知識都與我們的生活息息相關 同學們不妨想一想 生活中還有什麼事物跟沉澱有關呢？