Właściwie za każdym razem, gdy podejmuję się tematu, w którym pokazuję, jak edukacja chemiczna prowadzi nas na manowce, to się zastanawiam się: jaki odsetek czytelników, do których należą uczniowie, studenci, nauczyciele, chemicy i inni zainteresowani, zobaczy tytuł artykułu i powie: „A co w tym trudnego? To jest oczywiste!”, „Przecież tabeli rozpuszczalności uczą już w podstawówkach! Każdy umie tego używać, bo to nic trudnego!”. No i inne tego typu. A jednak po publikacji kolejnego artykułu dostaję wiadomości z podziękowaniami, tudzież z informacjami, że dzięki przeczytaniu sami sobie uświadomili, że robią coś źle, a wydawało się to takie oczywiste. No ale dosyć o tym – zajmijmy się tematem.
Jeśli napiszę równanie reakcji, właśnie takie:
I zapytam: „czy taka reakcja zachodzi?”, to dostanę odpowiedź, że nie zachodzi. Bo wystarczy spojrzeć w tabelę rozpuszczalności: „przecież AgCl to osad, a produkty są dobrze rozpuszczalne – ta reakcja nie zachodzi”. No dobrze, jest to prawidłowa odpowiedź. Ale ja powiem coś całkiem przeciwnego – reakcja podana powyższym równaniem zachodzi. „No jak to?! Weź se roztwór AgNO3 i zmieszaj z roztworem BaCl2 i zobacz, że strąca Ci się osad AgCl! Reakcja, której równania zapisałeś to błąd! Ona nie zachodzi!”. Oczywiście - se weznę i popatrzę że strąca się osad AgCl. Ale ja powiem więcej: Ty masz rację i ja mam rację. Obie reakcje zachodzą. „No jak to? Wrzuć cynk do roztworu CuSO4, to ci reakcja zajdzie, ale wrzuć miedź do roztworu ZnSO4, to ci reakcja nie idzie, więc nie mogą być obie reakcje będącymi swoimi odwrotnościami prawidłowe, bo reakcja zachodzi w konkretnym kierunku! Tak samo tutaj osad AgCl nie przejdzie Ci w dobrze rozpuszczalne sole!”
A jednak zostanę przy swoim i wyjaśnię to za chwilę. Obie odpowiedzi są prawidłowe.
A teraz zajmijmy się tabelą rozpuszczalności.
Substancje, które znamy ze swojego otoczenia różnią się rozpuszczalnością. Jedne rozpuszczają się dobrze, inne gorzej, a jeszcze inne – pozornie wcale. Ponadto, czy dana substancja się rozpuszcza zależy także od tego, w czym ją próbujemy rozpuścić. Ot, tłuszcze kiepsko rozpuszczają się w wodzie, ale dość dobrze rozpuszczają się w spirytusie, a bardzo dobrze w benzynie. Cukier buraczany z kolei dobrze rozpuszcza się w wodzie, ale kiepsko w spirytusie i praktycznie w ogóle – w benzynie. Ale takie gips i wapno budowlane (Ca(OH)2) nie rozpuszczają się zbytnio ani w wodzie, ani w spirytusie, ani w benzynie. Tak więc nie można ogólnie powiedzieć o tłuszczu, że to substancja praktycznie nierozpuszczalna, bo choć w wodzie prawie wcale się nie rozpuszcza, to jednak w benzynie już się rozpuszcza dobrze. Ale dla gipsu czy wapna trudno jest nam wskazać dobry rozpuszczalnik z otoczenia. Tutaj nazwanie ich trudno rozpuszczalnymi w ogólnym sensie ma większe uzasadnienie. No ale nie zawsze to, że coś jest trudno rozpuszczalne w wodzie powoduje, że można o tym czymś powiedzieć, że jest trudno rozpuszczalne - trzeba powiedzieć w czym.
Tabela rozpuszczalności to bardzo przydatne narzędzie. Ta, która jest w każdym podręczniku służy do przewidywania kierunku reakcji. Ale jakich konkretnie? Tu musimy sobie zdawać sprawę z tego, że ta tabela rozpuszczalności, którą znamy z podręczników dotyczy sytuacji, która ma miejsce po zmieszaniu wodnych roztworów. Napiszę to jeszcze raz: po zmieszaniu wodnych roztworów. To jest pierwszy punkt umowy tego, czego ona dotyczy. A drugi jest taki, że dotyczy ona sytuacji jaka ma miejsce po zmieszaniu roztworów soli ze sobą lub ew. roztworu soli z zasadą (roztworem wodorotlenku w wodzie). A trzeci jest taki, że dotyczy to niezbyt stężonych roztworów - zazwyczaj w przedziale 0,1 - 1 mol/dm3, choć mogą być też wartości niższe i wyższe od tych wartości. Tak więc mamy 3 warunki umowy: 1) roztwory wodne, 2) reakcja typu sól + sól lub sól + wodorotlenek, 3) roztwory niezbyt stężone. Tak skonstruowana jest tabela rozpuszczalności, którą znamy z lekcji chemii. I tak skonstruowana tabela służy do przewidywania kierunku reakcji po zmieszaniu wodnych roztworów soli lub roztworu soli z zasadą. Po co piszę o tych warunkach umowy? Bo żeby się posługiwać odpowiednio jakimś narzędziem, trzeba znać jego zakres stosowania. Jak się przekonamy - wiele osób go nie zna. I błądzi...
W wielu tabelach rozpuszczalności, gdy po zmieszaniu roztworów powstaje związek o bardzo małej rozpuszczalności to pojawia się strzałka w dół, lub symbol T, gdy związek jest trudno rozpuszczalny (rozpuszczalność w zakresie 0,1 – 1 g na 100 g wody) lub N, gdy związek jest praktycznie nierozpuszczalny (rozpuszczalność poniżej 0,1 g na 100 g wody). Jeszcze to sobie wyjaśnimy niżej. Granice te są także umowne i można spotkać inne granice jak i inne nazwy. Większość tablic podaje taką klasyfikację, ale Centralna Komisja Egzaminacyjna w nowej karcie Wzorów i stałych fizykochemicznych podaje inną klasyfikację.
I bardzo dobrze! Tylko dlaczego tak późno? Co tutaj widzimy? Przede wszystkim brak symbolu N, który w wielu tablicach (również w starszych kartach wzorów CKE) oznaczał: substancja nierozpuszczalna, zamiast praktycznie nierozpuszczalna. Zamiast tego mamy symbol T - substrancja trudnorozpuszczalna. W końcu zniknęło to źródło zgorszenia, jakim był nieprawidłowo opisany lub nieprawidłowo interpretowany symbol N jako substancja NIErozpuszczalna. Bo wiele tablic zresztą coś takiego sugerowało. A teraz widzimy, że to co było N w starej karcie - stało się T. Czyli trudno rozpuszczalne - ale zwróćmy uwagę na to, że choć trudno, to jednak rozpuszczalne...
W takim razie, skoro wiemy już do czego służy tabela rozpuszczalności, to wyjaśnijmy sobie, do czego ona NIE służy. Ale bywa używana. Czasem z opłakanym skutkiem… To jak wkręcanie śrub młotkiem albo wbijanie gwoździ końcówką śrubokręta…
Alfred Chitchcock twierdził, że film powinien zaczynać się trzęsieniem Ziemi. No to zacznijmy.
Tabela rozpuszczalności NIE służy do tego, by określać, które substancje ulegają dysocjacji elektrolitycznej, a które nie.
To chyba jest najgorsze. To nawet ciężko mi napisać. Łatwiej będzie mi wrzucić screen z treścią pewnego zadania domowego.
Do czego służy tabela rozpuszczalności? Do przewidywania kierunku reakcji na podstawie rozpuszczalności. To jest tabela ROZPUSZCZALNOŚCI. Powtarzam: rozpuszczalności. A nie tabela dysocjacyjności, by za jej pomocą określać takie rzeczy. Błędnie zresztą.
Tabela rozpuszczalności pozwala nam określić na ile dany związek jest w wodzie rozpuszczalny. Stąd dzielimy związki na dobrze, trudno i praktycznie nierozpuszczalne. Niestety, ale w szkole z jakiegoś powodu popełnia się fatalny błąd: myli rozpuszczalność z dysocjacją. Wiele razy podkreślałem ten problem. Jeśli wsypać do szklanki wody łyżkę cukru i zacznę mieszać, to zaobserwuję zanik kryształów, czyli rozpuszczanie. Jeśli zrobię to samo z łyżką soli kuchennej, to także zaobserwuję… No właśnie, co? Także rozpuszczanie, a nie dysocjację. NaCl nie ma jakiejś dysocjacyjności w wodzie, tylko i cukier i NaCl mają swoją rozpuszczalność. To, że taki NaCl ulega w wodzie dysocjacji, to inna sprawa. I tu jest problem, bo wielu nauczycieli powtarza, że gdy cukier wpuścimy do wody, to się rozpuści w wodzie. Ale o NaCl to już powtarza, że jak go wpuścimy do wody to… Zdysocjuje! Jak więc jest z tą dysocjacją? O dysocjacji mówimy w roztworze. A to, ile tego czegoś się rozpuści (i ew. zacznie dysocjować) to inna sprawa. Dysocjuje zarówno NaCl, jak i AgCl - który jest praktycznie nierozpuszczalny. No właśnie, praktycznie, bo rozpuszczalny w bardzo małym stopniu. Jeśli do 1 kg wody wsypać 1 kg soli, to rozpuści się ok. 330 g soli do nasycenia roztworu. Ale to nie oznacza, że stopień dysocjacji wynosi 33%, bo rozpuściło się 33% wsypanego związku. Stopień dysocjacji może wynosić 100%, bo interesuje nas ta część NaCl, która jest w roztworze, a nie ta, która pozostała na dnie nierozpuszczona (czyli nie w roztworze). A co z AgCl? Przecież i on, ta niewielka ilość, która się w wodzie rozpuszcza - dysocjuje. A co więcej, to równowagę tej dysocjacji opisuje iloczyn rozpuszczalności - możemy na podstawie stężenia jonów obliczyć rozpuszczalność takiego AgCl. A skąd się te jony wzięły, jeśli nie z dysocjacji? No właśnie – możemy obliczyć rozpuszczalność czegoś, co wielu określa jako nierozpuszczalne. I przy okazji nie ulegające dysocjacji. To skoro coś jest nierozpuszczalne, to jak możemy obliczać rozpuszczalność?
Ale konkluzja jest jedna - tabela rozpuszczalności nie służy do tego by określać, które sole dysocjują, a które nie. “No to czemu w reakcji strącania CaCO3 zapisujemy Ca2+ + CO32- daje CaCO3? Bo to osad, a osady nie dysocjują.”
No właśnie, dlaczego, tak zapisujemy? Nie, w tym zapisie nie chodzi o to, że osady nie dysocjują. Tylko o to, że zapisywanie równań reakcji to także pewna umowa. Tak, o tym co w równaniach reakcji zapisujemy w postaci zdysocjowanej lub cząsteczkowej też decyduje umowa. I tak po zmieszaniu roztworów soli może, ale nie musi dojść do strącenia osadu. Jeśli do tego dojdzie, to oznacza, że jakaś substancja opuszcza roztwór. Oczywiście roztwór opuści jej tyle, ile wynika z jej rozpuszczalności. Ot, strącając Ca(OH)2 w reakcji zachodzącej po zmieszaniu roztworu CaCl2 z roztworem NaOH (zasadą sodową) strąca się Ca(OH)2. Ale strąca się tyle, ile wynika z jego rozpuszczalności. W temperaturze pokojowej ok. 1,7 g Ca(OH)2 pozostaje w litrze roztworu poreakcyjnego. W przypadku Mg(OH)2 jest to już tylko ok. 6 mg w litrze w temperaturze pokojowej, ale tych 6 mg w litrze wystarczy, by fenoloftaleina przyjęła zabarwienie malinowe nad osadem Mg(OH)2. Ale strącając Mg(OH)2 także zapisujemy go w postaci niezdysocjowanej - bo uwzględniamy w ten sposób, że składnik ten opuszcza roztwór. No, przynajmniej zdecydowana większość go opuszcza. A nie że to związek, który nie dysocjuje. A opuszcza, bo ma niską lub bardzo niską rozpuszczalność. Nawet jeśli użyć stechiometrycznych ilości substratów, np. w reakcji:
To roztwór poreakcyjny (czyli nad osadem Mg(OH)2) ma odczyn zasadowy - nie ma znaczenia, czy do czystej wody wsypiemy Mg(OH)2 i zamieszamy, czy też zmieszamy w stechiometrycznym stosunku roztwór MgCl2 z zasadą sodową - w obu przypadkach otrzymamy zasadowy roztwór i to pomimo tego, że w tym drugim przypadku Mg(OH)2 opuścił roztwór. Ale nie opuścił cały tego roztworu, bo w jakimś stopniu się w wodzie rozpuszcza. Pozostanie ok. 6 mg w litrze (w temp. pokojowej). Dlatego "woda" lub po prostu roztwór poreakcyjny (w rozpatrywanym przykładzie roztwór NaCl) nad osadem Mg(OH)2 ma odczyn zasadowy, i to dość istotnie zasadowy, jak widzimy na poniższym zdjęciu wykonanym na potrzeby pewnej dyskusji oraz tego artykułu.
Podsumowując: tabela rozpuszczalności nie służy do tego, by określać, która sól (lub wodorotlenek) ulega dysocjacji, a który nie, tylko która sól lub który wodorotlenek jest słabo rozpuszczalny lub praktycznie nierozpuszczalny. Obecność ciała stałego w reakcji chemicznej, np. podczas roztwarzania CaCO3 w kwasie lub podczas strącania Ca(OH)2 sygnalizujemy zapisując go w postaci niezdysocjowanej. A to nie oznacza, że związek nie ulega dysocjacji, tylko coś zapisując jego wzór w postaci cząsteczkowej uwzględniamy coś – jakąś obserwację i stan układu przed i po.
Tabela rozpuszczalności nie służy do sprawdzania, które związki są rozpuszczalne, a które nie.
To bardzo rozpowszechniony, choć zdecydowanie nie najgroźniejszy błąd. Czasem śledząc różne dyskusje natrafiam na wypowiedź w stylu: “Ciekawe jak, jak to się nawet nie rozpuszcza!”. Ale krótko i na temat. Tabela rozpuszczalności pozwala nam określić, które związki (jako kombinacje odpowiednich jonów) są w wodzie dobrze rozpuszczalne, trudno rozpuszczalne i rozpuszczalne w bardzo małych ilościach. Te ostatnie zwiemy praktycznie nierozpuszczalnymi, bo aby rozpuścić np. 1 g substancji potrzeba bardzo dużej ilości wody. Np. aby w temp. pokojowej rozpuścić 1 g CaCO3 potrzeba aż 70 litrów wody. Nie trzeba chyba tłumaczyć, że 1 g w 70 litrach (siedmiu wiadrach) wody to taki roztwór będący prawie wodą. A są substancje, gdzie tych litrów będą tysiące, by rozpuścić 1 gram. Stąd, jeśli 1 g (1000 mg) CaCO3 wsypać do probówki i zalać 5 cm3 czystej wody, to rozpuści się z tego 1 grama zaledwie 0,07 mg. 0,99993 g pozostanie na dnie probówki lub w zawiesinie. Czyli prawie nic się z tego jednego grama nie rozpuściło w takiej małej ilości wody. A roztwory będące prawie wodą nie przydadzą się nam, jeśli mamy zbadać właściwości chemiczne np. jonów wapnia i sprawdzić jakim reakcjom one ulegają. Albo pokazać wypieranie CO2 z węglanów zakwaszając nasycony roztwór CaCO3 (tzn. nie osad, tylko samą „wodę” zebraną znad niego). Ale nie można danej substancji nazwać nierozpuszczalną. Zauważmy sprzeczność: jak jakaś substancja może być nierozpuszczalna i jednocześnie mieć iloczyn ROZPUSZCZALNOŚCI? No właśnie. Za błędne myślenie często odpowiada sama tabela rozpuszczalności. Bo jest nieprawidłowo opisana. Często mamy oznaczenie: N - substancja nierozpuszczalna, zamiast: N - substancja praktycznie (prawie) nierozpuszczalna. Magiczne słowo praktycznie/prawie czyni jednak różnicę. W tabeli rozpuszczalności nie ma substancji nierozpuszczalnych. Są substancje praktycznie nierozpuszczalne. A w nowych kartach wzorów i stałych od CKE nazwane są trudno rozpuszczalnymi. Zapewne ma to związek z tym, że do programu wrócił iloczyn rozpuszczalności – bo jakby to było, jakby związek nadal figurował jako nierozpuszczalny, a na lekcji mamy policzyć jego rozpuszczalność? I bądź tu uczniu mądry i pisz wiersze…
Tabela rozpuszczalności nie służy do sprawdzania, które związki to osady.
Często, zarówno ze strony uczniów jak i nauczycieli, można usłyszeć, że “ten związek to osad”. To także błąd. A wynika to stąd, że to, że związek jest praktycznie nierozpuszczalny, nie oznacza, że jest osadem. Jako osad może być otrzymany po zmieszaniu odpowiednich roztworów, ale nie jest osadem sam z siebie. Spójrzmy np. na CaSO4. Po zmieszaniu roztworu CaCl2 z Na2SO4 można go sobie wytrącić. Ale spójrzmy na gigantyczne kryształy gipsu z Jaskini Kryształowej w Naica (Meksyk). I zwróćmy uwagę na to, że na tym zdjęciu jest człowiek.
I jak tu o CaSO4 powiedzieć, że to osad? Czy to się w ogóle godzi? Zresztą wiele osadów to nic innego jak drobne kryształy, bo strącanie osadu jest szybką krystalizacją.
CaSO4, BaSO4, a nawet takie związki jak Ag2S czy AgCl, które z doświadczeń wykonanych w probówkach znamy jako osady - znajdziemy w przyrodzie jako okazałe kryształy. A także w warunkach laboratoryjnych można otrzymać całkiem okazałe kryształy “związków, które są osadami”. Bo nie są osadami same z siebie, tylko jako osad można je otrzymać. To różnica.
Tabela rozpuszczalności nie służy do określania, czy zajdzie reakcja sól + kwas.
Jeśli ochłonęliśmy już po punkcie pierwszym to szykujmy się ponownie na skok adrenaliny. Jak napisałem, tabela rozpuszczalności to narzędzie obwarowane pewną umową. Służy ona do określania możliwości zajścia reakcji typu sól + sól lub sól + wodorotlenek. Tymczasem wielu uczniów, a także studentów, bo wynieśli to zwykle ze szkoły, żyje przekonaniem, że reakcja sól mocnego kwasu + słaby kwas zachodzi, jeśli wytrąca się osad. Widywałem i takie zadania, i argumenty w dyskusjach (“bo tak było w internecie” itd.). A nawet widziałem taką propozycję odpowiedzi do jednego z zadań po maturze w 2016 roku. Nie jest to takie proste. Mocny kwas wypiera słabszy z jego soli - tego się uczymy. A jednak: jeśli przepuszczać strumień H2S np. przez roztwór CuSO4 w wodzie, to strąca się czarny osad CuS:
I tutaj spotkamy uzasadnienie: bo jak strąca się osad, to słaby kwas wypiera mocny i reakcja zajdzie. I z tego powodu co jakiś czas znajduję ten przypadek:
Czasem w formie jonowej. Ale uzasadnienie to samo: ta reakcja zachodzi, bo powstaje trudno rozpuszczalny związek”. Czyżby? To spróbujmy przepuścić CO2 przez wodny roztwór azotanu(V) wapnia. W końcu chemia jest nauką opartą na eksperymencie.
H2S w roztworze CuSO4 strąca nam CuS. Ale jak ten sam H2S przepuszczać przez roztwór CaCl2, to nic się nie strąca, choć patrząc w tabelę rozpuszczalności - powinien, bo CaS to związek trudno rozpuszczalny. Tyle że tabela rozpuszczalności mówi nam o tym, że strąci się CaS, gdy zmieszamy roztwory odpowiednich soli. Nie można na jej podstawie stwierdzić, co się stanie, gdy do roztworu CaCl2 wprowadzimy H2S! Bo ona nie dotyczy takich sytuacji. Tak samo nie strącimy osadu CaCO3 czy BaCO3 wprowadzając gazowy CO2 do wodnego roztworu CaCl2 czy BaCl2, choć są to związki praktycznie nierozpuszczalne. A z tabeli rozpuszczalności wynika, że te związki się strącą - i strącą, jeśli zamiast gazowego CO2 użyć roztworu Na2CO3 czy K2CO3.
Tak więc to, że wg tabeli rozpuszczalności strąci się osad, nie jest równoznaczne z tym, że ten osad się wytrąci, gdy wprowadzimy słaby kwas do wodnego roztworu soli mocnego kwasu - bo nie takich sytuacji ona dotyczy. To jest bardziej skomplikowane i tak skonstruowana tabela rozpuszczalności, jaka na ogół jest w podręcznikach, jest tutaj narzędziem niewystarczającym. Wyparcie słabego kwasu z soli zachodzi tym trudniej, im mniej rozpuszczalny jest dany związek. Mówiąc wprost związek ten potrzebuje pewnego minimalnego stężenia kwasu, by z osadu wyprzeć słaby kwas. Nie mamy z tym problemu, by wyprzeć H2S z roztworu Na2S. Nieco trudniej jest to zrobić w przypadku CaS – też trudno rozpuszczalnego, ale jednak nie tak słabo jak wiele innych siarczków. Ale nie jest to takie proste gdy mamy wyprzeć H2S np. z CuS czy Ag2S, które są bardzo trudno rozpuszczalne w wodzie. Potrzebujemy odpowiedniego krytycznego stężenia kwasu, by wyprzeć H2S z tych związków. Oznacza to, że wprowadzając strumień H2S do wodnego roztworu Ag2SO4 czy CuSO4 wytrąci się osad Ag2S lub CuS - reakcja ta będzie zachodzić do momentu, aż kationy wodoru nie osiągną krytycznego stężenia, przy którym mocny kwas zaczyna wypierać H2S z osadu. Ale już CaS, MnS czy ZnS roztwarzają się nawet w słabo zakwaszonych roztworach. Ich strącenia nie przeprowadza się gazowym H2S, w przeciwieństwie do strącania Ag2S czy CuS i kilku innych siarczków. No właśnie - kilku innych, a nie wszystkich praktycznie nierozpuszczalnych siarczków. Podczas wprowadzania gazowego H2S strącają się te o najmniejszej rozpuszczalności. I jest to zresztą podstawą do rozdziału kationów metali na grupy: jedne strącają się w zakwaszonym uprzednio roztworze, a drugie dopiero po jego zobojętnieniu, co jest podstawą podziału kationów na grupy: najpierw strącamy siarczki z uprzednio zakwaszonego roztworu, odsączamy, a potem zobojętniamy roztwór (przesącz) i strącamy kolejne praktycznie nierozpuszczalne siarczki, z których łatwo wyprzeć H2S (dlatego nie strącają się z zakwaszonego roztworu, bo kwas wypiera z nich H2S).
Sama tabela rozpuszczalności nie podaje przecież konkretnych wartości rozpuszczalności, byśmy mogli przewidzieć na tej podstawie, czy osad się wytrąci po wprowadzeniu słabego kwasu do roztworu soli kwasu mocnego.
Ale! Bywają tabele rozpuszczalności, które podają odpowiednie informacje, jak zachowanie się osadu wobec kwasów (mocnych i oczywiście chodzi o rozcieńczone kwasy): strąca się osad, który roztwarza się w (mocnych) kwasach” lub “strąca się osad, który nie roztwarza się w (mocnych) kwasach”. I tak z odpowiedniej tabeli rozpuszczalności o CaS, ZnS, CaCO3 i wielu innych dowiemy się, że gdy strącony osad potraktować mocnym kwasem, to ulegnie on roztworzeniu. A to także informacja o tym, że słaby kwas wprowadzony do roztworu soli kwasu mocnego spowoduje strącenie soli kwasu słabego - bo osad jest odporny na mocne kwasy (oczywiście do pewnego stężenia, jak napisałem wcześniej). Ale musi to być tabela podająca takie informacje - a większość szkolnych tablic takowych nie podaje.
A maturzystów, których zazwyczaj interesuje: "a na maturze to jak mamy pisać?" uspokajam, że to oczym piszę, także obowiązuje na maturze. Nie można ot tak wyciągać błędnego wniosku, że jak strąca się osad to taka reakcja zachodzi. Musi być jakaś sugestia, że ten osad się wytrąci. Przyjrzyjmy się temu zadaniu:
Zauważmy, że mamy tutaj narzucony zestaw odczynników. Z tej kombinacji jedyny osad jaki można potencjalnie strącić, to CuS. A skoro zadanie informuje, że w niektórych reakcjach powstają mieszaniny niejednorodne, to jest to równoznaczne z tym, że strącenie CuS przez H2S zachodzi.
Ale ostrzegam - nie możemy wyciągać pochopnych wniosków - niech nas o tym przekona ten film, już jakiś czas temu na szybko zrealizowany.
A o tym jak działa H2S na roztwór CuSO4 można zobaczyć w tym filmie:
tabela rozpuszczalności nie służy do przewidywania reakcji strącania wodorotlenków wodą amoniakalną.
Większość dostępnych tabel rozpuszczalności to tabele rozpuszczalności soli i wodorotlenków. Z tego powodu wśród anionów widzimy jony OH-. Wodorotlenki trudno i praktycznie nierozpuszczalne strącamy zasadami (roztworami dobrze rozpuszczalnych wodorotlenków). Jony OH- znajdziemy także w wodnym roztworze amoniaku, czyli wodzie amoniakalnej, która błędnie bywa zwana zasadą amonową lub wodorotlenkiem amonu. Wiele wodorotlenków, np. glinu - można wytrącić zarówno zasadą sodową, jak także wodą amoniakalną o dość silnie zasadowym odczynie. Ale czy to oznacza, że woda amoniakalna nie różni się od zasady sodowej? Niestety, nie oznacza. Bo woda amoniakalna to nie to samo co roztwór wodorotlenku sodu (zasada sodowa). Rzeczywiście, strącimy za jej pomocą Al(OH)3 i inne wodorotlenki, ale w przeciwieństwie do zasady sodowej - woda amoniakalna nie strąca wszystkich wodorotlenków strącanych zasadą sodową. Ot, przyjrzyjmy się równaniu reakcji:
Wodorotlenek wapnia wypiera amoniak z soli amonowych. A to oznacza, że woda amoniakalna wprowadzona do roztworu takiego CaCl2 - nie strąca Ca(OH)2. Bo tutaj myśliwy staje się ofiarą - to wodorotlenek wapnia wypiera NH3 z soli amonowych, która musiałaby powstać wraz z wodorotlenkiem wapnia. Nie zajdzie więc reakcja:
która jest odwróceniem reakcji rozpatrywanej na początku. Tak, zachodzi reakcja odwrotna do tej, którą byśmy chcieli przeprowadzić: strącenie wodorotlenku wapnia za pomocą “wodorotlenku amonu”, bo „Wodorotlenek wapnia to osad, wiec zajdzie”. To samo dotyczy strącania Sr(OH)2, a nawet Mg(OH)2, który strąca się tylko częściowo w obecności wody amoniakalnej. To osad Ca(OH)2 czy Sr(OH)2 roztworzy się w obecności soli amonowych w roztworze, bo zbyt słaby myśliwy - stał się ofiarą.
Dzięki tabeli rozpuszczalności możemy NIE stwierdzić, że reakcja nie zachodzi, bo substrat “jest osadem”.
To także rozpowszechnione, ale błędne przekonanie. Reakcje chemiczne typu sól+sól oraz sól + wodorotlenek zachodzą w kierunku utworzenia produktu o mniejszej rozpuszczalności. Czyli na ogół w kierunku strącenia osadu. I tutaj często pokutuje błędne przekonanie, że jeśli tym “osadem” jest substrat, to reakcja nie zajdzie. Nieprawda, zajdzie, pod warunkiem, że może powstać jeszcze mniej rozpuszczalny produkt. I tak dawniej kaustyfikowano sodę, czyli sodę (Na2CO3) przerabiano w sodę kaustyczną (NaOH) mlekiem wapiennym (zawiesiną Ca(OH)2 w wodzie):
W reakcji tej osad przechodzi w inny osad. W trudniej rozpuszczalny osad i po odsączeniu osadu otrzymywano ług sodowy (zasadę sodową), z której wydzielano NaOH (sodę kaustyczną). Tak samo możemy najpierw strącić biały AgCl, a następnie dodając do układu roztwór jodku sodu czy jodku potasu - przekształcić biały osad AgCl w żółty osad AgI. Przykładów takich można sporo podać.
Nie można stwierdzić, że reakcja nie zachodzi tylko dlatego, że substrat jest trudno rozpuszczalny, lub praktycznie nierozpuszczalny. Ważne, żeby produkt był jeszcze mniej rozpuszczalny. Jak już wspomniałem, tabela rozpuszczalności nie podaje nam liczb - nie wiemy, czy bardziej rozpuszczalny jest AgCl czy AgI, gdy oba mają oznaczenie N (lub T w nowej karcie wzorów). Zatem nie stwierdzimy na tej podstawie, czy osad AgCl przejdzie w AgI, czy na odwrót. Ale też nie można powiedzieć np. że „reakcja AgI + NaCl nie zajdzie, bo AgI to osad”. No ta reakcja akurat nie zajdzie, ale nie dlatego, że AgI to osad. Ale dlatego, że AgCl jest bardziej rozpuszczalny niż AgI - ale do tego potrzebujemy danych, których tabela rozpuszczalności nam nie dostarcza. Wyjątkiem są te przypadki, w których możemy jasno stwierdzić, że substrat jest znacznie lepiej rozpuszczalny niż produkt, jak to ma miejsce w przypadku Ca(OH)2 (T) i CaCO3 (N) - tutaj jesteśmy w stanie stwierdzić, że ta reakcja powinna zachodzić. Tak samo możemy stwierdzić, że powinna zajść reakcja przejścia osadu PbCl2 (T) w PbI2 (N) - na podstawie samej tabeli rozpuszczalności. Ale gdy zarówno produkt i substrat mają oznaczenie N, albo oba mają oznaczenie T - to nie jesteśmy w stanie stwierdzić, który osad można przeprowadzić w który. Czyli w zdecydowanej większości przypadków tabela rozpuszczalności będzie bezużyteczna. I nie dowiem się, czy zachodzi taka reakcja:
Czy taka:
Zachodzi ta pierwsza, ale z tabeli rozpuszczalności się tego nie dowiem, ani nie mogę też powiedzieć, że żadna z tych reakcji nie zajdzie, bo “substratem jest osad”. Po prostu tabela rozpuszczalności jest w takich przypadkach narzędziem niewystarczającym, ale nie można stwierdzić, że takowe reakcje nie zachodzą.
Tabela rozpuszczalności nie daje tych samych wyników w przypadku roztworów stężonych
Gdyby nas zapytać: czy zajdzie taka reakcja?
To tradycyjnie zerkniemy do tabeli rozpuszczalności i powiemy: “NIE. Powstanie zupa jonowa, bo nic się nie strąca. Reakcja nie zachodzi.”
A gdyby nas zapytać: “A czy zajdzie taka reakcja: Ba(NO3)2 + NaOH?
Robimy ten sam risercz i odpowiadamy: „Nie. Bo Ba(OH)2 jest dobrze rozpuszczalny, NaNO3 zresztą też”.
Ale tabela rozpuszczalności to pewna umowa, jak już napisałem kilka razy. Dotyczy ona roztworów niezbyt stężonych. Odczytujemy więc, że w warunkach w jakich pracuje tabela rozpuszczalności te reakcje nie zachodzą. A jednak:
saletrę potasową (KNO3) wytwarzano dawniej w reakcji zachodzącej po zmieszaniu wodnych roztworów NaNO3 i KCl.
sodę oczyszczoną otrzymuje się metodą Solvaya, w której NaHCO3 wytrąca się po zmieszaniu roztworu NH4HCO3 z NaCl. A przecież NaHCO3 jest substancją dobrze rozpuszczalną…
wodorotlenek baru można otrzymać strącając go np. zasadą potasową… A przecież Ba(OH)2 jest dobrze rozpuszczalny… Szczegółowy opis otrzymywania Ba(OH)2 podaję tutaj.
Bo wystarczy użyć odpowiednio stężonych roztworów i już reakcje, które “nie zachodzą” - zaczynają zachodzić. Bo nie zachodzą, gdy tak dobraliśmy stężenia, że potencjalne produkty nie są w stanie się wytrącić/wykrystalizować, bo nie przekroczyliśmy rozpuszczalności żadnego z nich. Ale jak zwiększyć stężenie roztworów….
- Tabela rozpuszczalności nie służy do tego, by określać, czy dana sól ulega hydrolizie.
Tutaj nie da się tego chyba ująć lepiej, niż zdjęcie „wody” nad osadami CaCO3 i BaCO3 oraz roztworu NaHCO3 pod dodaniu kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny.
Dlaczego nad osadami CaCO3 i BaCO3 jest wyższe pH niż w roztworze NaHCO3?
Obszerne wyjaśnienie znajduje się tutaj. „Czy Ca(OH)2 dysocjuje?”
9. Tabela rozpuszczalności nie pozwala stwierdzić, że reakcja pomiędzy dwoma substancjami na pewno nie zachodzi.
No i ostatnie - równanie które podałem na początku:
Czy taka reakcja zachodzi? Nie, bo po prawej są związki dobrze rozpuszczalne, a związek bardzo trudno rozpuszczalny mamy po lewej - zajdzie co najwyżej reakcja przeciwna:
AgCl jest rzeczywiście praktycznie nierozpuszczalny, a pozostałe składniki są dobrze rozpuszczalne. A dodajmy, że mówimy o ich rozpuszczalności w wodzie. Woda to przecież nie jest jedyna ciecz, w której można rozpuścić sole. Jako polarne rozpuszczalniki wykorzystuje się także ciekły SO2, ciekły NH3, ciecze organiczne jak acetonitryl CH3CN czy dimetyloformamid HCON(CH3)2. To, co dobrze rozpuszcza się w wodzie - niekoniecznie dobrze rozpuszcza się w innych cieczach, a to co źle rozpuszcza się w wodzie - może się dobrze rozpuszczać w innych cieczach. W tabelach poniżej podałem rozpuszczalność dla kilku kombinacji, ale jedna dotyczy wody, a druga ciekłego NH3 jako rozpuszczalnika.
I tutaj czeka nas niespodzianka. Bo ile wiele osób powie, że taka reakcja nie zachodzi, to okazuje się, że po zmianie rozpuszczalnika zachodzi. Bo, po raz kolejny przypomnę: tabela rozpuszczalności z podręczników dotyczy roztworów wodnych, a nie roztworów ogólnie. Dla AgCl da się znaleźć odpowiedni rozpuszczalnik, ale są substancje, które niechętnie się rozpuszczają w czymkolwiek, jak choćby BaSO4. Ale tak czy siak – to, że wg tabeli rozpuszczalności reakcja nie zachodzi – nie jest równoznaczne z tym, że ta reakcja w ogóle nie zajdzie.
Na zakończenie dodam, że reakcje strąceniowe są potwierdzeniem teorii dysocjacji. Dlaczego osady się strącają? Bo substancje znacznie różnią się rozpuszczalnością, a o tym pisałem już kiedyś artykuł (wkrótce go nieco zaktualizuję). W temperaturze pokojowej (20 °C) rozpuszczalność KNO3 w wodzie wynosi 31,6 g w 100 g wody. A temperaturze 80 °C aż 169 g w 100 g wody. Stężenie jonów K+ i NO3- jest wyższe w wyższej temperaturze. Jeśli przygotować nasycony roztwór KNO3 o temperaturze 80 °C (169 g KNO3 w 100 g wody), a następnie zacząć go ochładzać, to roztwór staje się przesycony względem KNO3 - bo w niższej temperaturze jego rozpuszczalność jest niższa. Więc nadmiar jonów postaci kryształów zacznie opuszczać roztwór. Jeśli więc w roztworze znajdzie się stężenie jonów wyższe, niż wynika z nasycenia roztworu w danych warunkach, to wydzielają się kryształy.
Ale roztwór nie wie tego, w jaki sposób te jony się w nim znalazły i to o takim stężeniu. Nie ma więc dla niego różnicy, czy ochłodziliśmy nasycony roztwór przygotowany w wyższej temperaturze (np. KNO3 z tych 80 do 20 °C), czy też odpowiednie jony się w nim znalazły przez zmieszanie innych roztworów. Roztwór nie wie, czy zbyt wysokie stężenie jonów Ca2+ i OH- znalazło się w nim przez przygotowanie nasyconego roztworu Ca(OH)2 w innej temperaturze, czy też zmieszano dwa inne roztwory, z których jeden zawierał jony OH-, a drugi Ca2+. A skoro roztwór nie jest w stanie tego odróżnić, to nie ma znaczenia jak te jony się w nim znalazły. Bo roztwór nie pamięta w jaki sposób został przygotowany. Więc ważne jest, że stężenie jonów zostało przekroczone i jest to dla niego przesycenie względem Ca(OH)2. A więc nadmiar musi się wytrącić. A zatem z perspektywy roztworu nie ma znaczenia w jaki sposób w roztworze znalazły się jony Na+, Cl-, NO3- i Ag+: czy przez zmieszanie roztworu NaCl z roztworem AgNO3, czy też przez rozpuszczenie NaNO3 i AgCl w jakichś innych warunkach (choć niekoniecznie takowe istnieją) – ważne, że w danych warunkach stężenie jonów Ag+ i Cl- jest takie, że znacznie (bo tysiące razy zazwyczaj) przekraczamy rozpuszczalność AgCl. Więc ten nadmiar (stanowiący praktycznie całą masę AgCl w tym przypadku) się wytrąci.
Używajmy tabeli rozpuszczalności i młotka zgodnie z przeznaczeniem.