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模型3:分步沉淀计算

难溶电解质的溶解平衡 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用溶度积常数(Ksp)差异,通过控制沉淀剂浓度,使不同金属离子分步析出实现分离的计算方法。

从哪来 本节为高二化学第1讲起点,无前置知识点记录。基于高中化学必修阶段已掌握的离子反应基础及平衡移动原理,直接引入溶度积概念进行构建。

为什么 不同难溶电解质的溶解度存在数量级差异。当向含有多种金属离子的溶液中加入沉淀剂时,所需沉淀剂浓度较低的离子会先达到饱和并析出。利用这一“先后顺序”,通过精确计算临界浓度,即可在一种离子沉淀完全而另一种离子尚未开始沉淀的区间内实现分离。

讲法
适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生 采用“临界点法”。 1. 设定两种离子 M²⁺ 和 N²⁺,加入 S²⁻。 2. 计算 M²⁺ 开始沉淀所需的 [S²⁻]₁ = Ksp(MS)/[M²⁺]。 3. 计算 N²⁺ 开始沉淀所需的 [S²⁻]₂ = Ksp(NS)/[N²⁺]。 4. 比较 [S²⁻]₁ 和 [S²⁻]₂,小者先沉淀。 5. 核心判据:当先沉淀的离子浓度降至 10⁻⁵ mol/L(视为沉淀完全)时,计算此时溶液中 [S²⁻],再代入后沉淀物质的 Ksp 表达式,看其离子积 Qc 是否小于 Ksp。若 Qc < Ksp,则未沉淀,分离成功。
讲法
适合:形象思维强、对抽象公式恐惧的学生 采用“门槛比喻法”。 1. 把沉淀看作“关门”,离子浓度是“人”,Ksp 是“门的高度”。 2. Ksp 越小,门越低,越容易“关门”(沉淀)。 3. 分步沉淀就是看谁先撞上门。 4. 分离的关键是:当第一个人(先沉淀离子)几乎全被关在门外(浓度极低)时,第二个人(后沉淀离子)是否还站在门内(未沉淀)。 5. 计算就是算“门的高度”够不够高,能不能挡住第二个人。
讲法
适合:喜欢流程图、步骤化操作的学生 采用“三步决策树法”。 1. 第一步:算起始。分别计算两种离子开始沉淀所需的沉淀剂浓度 C_start1 和 C_start2。 2. 第二步:定顺序。C_start 小者为 A(先沉淀),大者为 B(后沉淀)。 3. 第三步:验共存。假设 A 沉淀完全([A]=10⁻⁵ mol/L),计算此时沉淀剂浓度 C_full。检查 B 是否开始沉淀:计算 Qc(B) = [B] * C_full。若 Qc(B) < Ksp(B),则分离可行;否则不可行。
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练一道
基础题
某溶液含 0.1 mol/L Ag⁺ 和 0.1 mol/L Ba²⁺,逐滴加入稀 H₂S 溶液。已知 Ksp(Ag₂S) = 6.3×10⁻⁵⁰,Ksp(BaS) = 1.1×10⁻⁷。问:哪种离子先沉淀?当 Ag⁺ 沉淀完全([Ag⁺]=10⁻⁵ mol/L)时,Ba²⁺ 是否开始沉淀?
变式
向含 0.01 mol/L Cu²⁺ 和 0.01 mol/L Fe²⁺ 的混合溶液中通入 H₂S 至饱和,此时 [S²⁻] = 0.1 mol/L。已知 Ksp(CuS) = 6.3×10⁻³⁶,Ksp(FeS) = 6.3×10⁻¹⁸。问:此时 Cu²⁺ 和 Fe²⁺ 的浓度各是多少?能否分离?
试试手自己判
检测题
某溶液含 0.1 mol/L Zn²⁺ 和 0.1 mol/L Mn²⁺。加入 Na₂S 溶液,已知 Ksp(ZnS) = 1.6×10⁻²⁴,Ksp(MnS) = 2.5×10⁻¹³。当 Zn²⁺ 沉淀完全([Zn²⁺]=10⁻⁵ mol/L)时,Mn²⁺ 是否开始沉淀?(提示:Mn²⁺ 开始沉淀的临界 [S²⁻] 是多少?)
看答案和判分标准
答案:1. Zn²⁺ 沉淀完全时,[S²⁻] = Ksp(ZnS) / [Zn²⁺] = 1.6×10⁻²⁴ / 10⁻⁵ = 1.6×10⁻¹⁹ mol/L。 2. Mn²⁺ 开始沉淀所需 [S²⁻] = Ksp(MnS) / [Mn²⁺] = 2.5×10⁻¹³ / 0.1 = 2.5×10⁻¹² mol/L。 3. 比较:1.6×10⁻¹⁹ < 2.5×10⁻¹²。 即:Zn²⁺ 沉淀完全时,溶液中的 [S²⁻] 远小于 Mn²⁺ 开始沉淀所需的 [S²⁻]。 结论:Mn²⁺ 不沉淀,分离成功。
判对标准:
- 正确计算出 Zn²⁺ 沉淀完全时的 [S²⁻] 为 1.6×10⁻¹⁹ mol/L(1分)。
- 正确计算出 Mn²⁺ 开始沉淀所需的 [S²⁻] 为 2.5×10⁻¹² mol/L(1分)。
- 正确比较两个浓度大小,并得出 Mn²⁺ 不沉淀的结论(1分)。
- 若只写结论无过程,或过程错误,不得分。
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