Кейс: при смешении растворов нитрата серебра и хлорида натрия образуется осадок AgCl, но при добавлении аммиака осадок растворяется; объясните это явление на уровне комплексообразования и термодинамики
Кратко: осадок AgCl растворяется потому, что аммиак образует с ионами серебра прочный растворимый комплекс [Ag(NH3)2]+[Ag(NH_3)_2]^+[Ag(NH3)2]+. Комплексирование резко уменьшает концентрацию свободных ионов Ag+Ag^+Ag+, и в соответствии с принципом Ле-Шателье равновесие растворения осадка смещается вправо — т.е. AgCl распадается, чтобы восстановить Ag+Ag^+Ag+, который тут же связывается аммиаком. Ключевые равновесия и их следствия: - Преципитация / растворение: AgCl(s)⇌Ag++Cl−,Ksp=[Ag+][Cl−]
AgCl(s)\rightleftharpoons Ag^+ + Cl^-,\qquad K_{sp}=[Ag^+][Cl^-] AgCl(s)⇌Ag++Cl−,Ksp=[Ag+][Cl−]
(типичное значение Ksp(AgCl)≈1.8×10−10K_{sp}(AgCl)\approx 1.8\times10^{-10}Ksp(AgCl)≈1.8×10−10). - Комплексообразование с аммиаком: Ag++2NH3⇌[Ag(NH3)2]+,Kf=[Ag(NH3)2+][Ag+][NH3]2
Ag^+ + 2NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+,\qquad K_f=\frac{[Ag(NH_3)_2^+]}{[Ag^+][NH_3]^2} Ag++2NH3⇌[Ag(NH3)2]+,Kf=[Ag+][NH3]2[Ag(NH3)2+]
(типичное значение Kf([Ag(NH3)2]+)∼1.6×107K_f([Ag(NH_3)_2]^+)\sim 1.6\times10^7Kf([Ag(NH3)2]+)∼1.6×107). Комбинируя эти соотношения, получаем для суммарной реакции AgCl(s)+2NH3⇌[Ag(NH3)2]++Cl−,
AgCl(s)+2NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-, AgCl(s)+2NH3⇌[Ag(NH3)2]++Cl−,
соответствующее равенство [Ag(NH3)2+][Cl−][NH3]2=Kf Ksp.
\frac{[Ag(NH_3)_2^+][Cl^-]}{[NH_3]^2}=K_f\,K_{sp}. [NH3]2[Ag(NH3)2+][Cl−]=KfKsp.
Это показывает, что при больших концентрациях NH3NH_3NH3 правая часть будет поддерживаться значительными значениями правой величины (по закону действующих масс), то есть образование растворимого комплекса ионов серебра становится выгодным, и осадок растворяется. Термо(динамика): для суммарной реакции свободная энергия ΔG=ΔG∘+RTln[Ag(NH3)2+][Cl−][NH3]2,
\Delta G=\Delta G^\circ + RT\ln\frac{[Ag(NH_3)_2^+][Cl^-]}{[NH_3]^2}, ΔG=ΔG∘+RTln[NH3]2[Ag(NH3)2+][Cl−],
где ΔG∘=−RTln(KfKsp)\Delta G^\circ=-RT\ln(K_fK_{sp})ΔG∘=−RTln(KfKsp). Даже если ΔG∘\Delta G^\circΔG∘ положительна (малое KfKspK_fK_{sp}KfKsp), при достаточно большом [NH3][NH_3][NH3] логарифмический член может сделать ΔG<0\Delta G<0ΔG<0, т.е. процесс станет спонтанным. Физически это означает, что комплексирование понижает хим.потенциал Ag+Ag^+Ag+ и тем самым делает растворение AgCl термодинамически выгодным при избытке аммиака. Вывод: образование стабильного растворимого комплекса [Ag(NH3)2]+[Ag(NH_3)_2]^+[Ag(NH3)2]+ снижает свободную концентрацию Ag+Ag^+Ag+, что по закону действующих масс (и по Ле-Шателье) приводит к растворению твердого AgCl; это подкрепляется термодинамической записью через ΔG\Delta GΔG и константы равновесия KspK_{sp}Ksp и KfK_fKf.
Ключевые равновесия и их следствия:
- Преципитация / растворение:
AgCl(s)⇌Ag++Cl−,Ksp=[Ag+][Cl−] AgCl(s)\rightleftharpoons Ag^+ + Cl^-,\qquad K_{sp}=[Ag^+][Cl^-]
AgCl(s)⇌Ag++Cl−,Ksp =[Ag+][Cl−] (типичное значение Ksp(AgCl)≈1.8×10−10K_{sp}(AgCl)\approx 1.8\times10^{-10}Ksp (AgCl)≈1.8×10−10).
- Комплексообразование с аммиаком:
Ag++2NH3⇌[Ag(NH3)2]+,Kf=[Ag(NH3)2+][Ag+][NH3]2 Ag^+ + 2NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+,\qquad K_f=\frac{[Ag(NH_3)_2^+]}{[Ag^+][NH_3]^2}
Ag++2NH3 ⇌[Ag(NH3 )2 ]+,Kf =[Ag+][NH3 ]2[Ag(NH3 )2+ ] (типичное значение Kf([Ag(NH3)2]+)∼1.6×107K_f([Ag(NH_3)_2]^+)\sim 1.6\times10^7Kf ([Ag(NH3 )2 ]+)∼1.6×107).
Комбинируя эти соотношения, получаем для суммарной реакции
AgCl(s)+2NH3⇌[Ag(NH3)2]++Cl−, AgCl(s)+2NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-,
AgCl(s)+2NH3 ⇌[Ag(NH3 )2 ]++Cl−, соответствующее равенство
[Ag(NH3)2+][Cl−][NH3]2=Kf Ksp. \frac{[Ag(NH_3)_2^+][Cl^-]}{[NH_3]^2}=K_f\,K_{sp}.
[NH3 ]2[Ag(NH3 )2+ ][Cl−] =Kf Ksp . Это показывает, что при больших концентрациях NH3NH_3NH3 правая часть будет поддерживаться значительными значениями правой величины (по закону действующих масс), то есть образование растворимого комплекса ионов серебра становится выгодным, и осадок растворяется.
Термо(динамика): для суммарной реакции свободная энергия
ΔG=ΔG∘+RTln[Ag(NH3)2+][Cl−][NH3]2, \Delta G=\Delta G^\circ + RT\ln\frac{[Ag(NH_3)_2^+][Cl^-]}{[NH_3]^2},
ΔG=ΔG∘+RTln[NH3 ]2[Ag(NH3 )2+ ][Cl−] , где ΔG∘=−RTln(KfKsp)\Delta G^\circ=-RT\ln(K_fK_{sp})ΔG∘=−RTln(Kf Ksp ). Даже если ΔG∘\Delta G^\circΔG∘ положительна (малое KfKspK_fK_{sp}Kf Ksp ), при достаточно большом [NH3][NH_3][NH3 ] логарифмический член может сделать ΔG<0\Delta G<0ΔG<0, т.е. процесс станет спонтанным. Физически это означает, что комплексирование понижает хим.потенциал Ag+Ag^+Ag+ и тем самым делает растворение AgCl термодинамически выгодным при избытке аммиака.
Вывод: образование стабильного растворимого комплекса [Ag(NH3)2]+[Ag(NH_3)_2]^+[Ag(NH3 )2 ]+ снижает свободную концентрацию Ag+Ag^+Ag+, что по закону действующих масс (и по Ле-Шателье) приводит к растворению твердого AgCl; это подкрепляется термодинамической записью через ΔG\Delta GΔG и константы равновесия KspK_{sp}Ksp и KfK_fKf .