واکنش‌های رسوبی و شناسایی یون‌ها

وقتی دو محلول کاملاً شفاف را در هم می‌ریزی و ناگهان ابری سفید در ظرف پدید می‌آید، شاهد یکی از زیباترین رویدادهای شیمی معدنی هستی: تشکیل رسوب. این پدیده فقط تماشایی نیست؛ ساده‌ترین و قدیمی‌ترین روش شناسایی یون‌ها در محلول است و هنوز هم در آزمایشگاه‌های تحلیلی به کار می‌رود.

چه وقت رسوب تشکیل می‌شود

هر نمکی در آب مقدار مشخصی حل می‌شود. اگر ترکیبی از یون‌ها ساخته شود که انحلال‌پذیری بسیار کمی دارد، بخشی از آن از محلول بیرون می‌آید و به شکل جامد ته‌نشین می‌شود. برای پیش‌بینی این اتفاق، قواعد انحلال‌پذیری را به‌کار می‌بریم:

• همهٔ نمک‌های سدیم، پتاسیم و آمونیوم و همهٔ نیترات‌ها در آب محلول‌اند؛ این یون‌ها تقریباً هرگز رسوب نمی‌دهند.
• کلریدها، برمیدها و یدیدها محلول‌اند، مگر با نقره، سرب و جیوهٔ یک‌ظرفیتی.
• سولفات‌ها محلول‌اند، مگر با باریم، سرب، استرانسیم و کلسیم که کم‌محلول است.
• کربنات‌ها، فسفات‌ها و هیدروکسیدها اغلب نامحلول‌اند، مگر با فلزهای گروه اول و آمونیوم.

مثال کلاسیک، مخلوط کردن نقره نیترات با سدیم کلرید است. معادلهٔ مولکولی چنین می‌شود: AgNO₃ + NaCl ← AgCl + NaNO₃. اما اگر یون‌های تماشاگر یعنی سدیم و نیترات را که پیش و پس از واکنش آزادند حذف کنیم، به معادلهٔ یونی خالص می‌رسیم: Ag⁺ + Cl⁻ ← AgCl. همین معادلهٔ کوتاه، جانِ ماجراست.

نقره کلرید در نور آفتاب کم‌کم بنفش و سپس خاکستری می‌شود، چون نور آن را به نقرهٔ فلزی و کلر تجزیه می‌کند. همین حساسیت به نور، پایهٔ عکاسی سیاه‌وسفید کلاسیک بود و امروز در شیشه‌های آفتابی فتوکرومیک به‌کار می‌رود.

حاصل‌ضرب انحلال و اندازهٔ رسوب

برای نمکی که خیلی کم حل می‌شود، به‌جای انحلال‌پذیری از ثابتی به نام حاصل‌ضرب انحلال استفاده می‌کنیم. برای نقره کلرید این ثابت در دمای اتاق برابر ۱٫۸ × ۱۰⁻¹⁰ است. اگر انحلال‌پذیری را s بنامیم، در آب خالص غلظت هر دو یون برابر s است، پس s² برابر همان ثابت می‌شود و s برابر ۱٫۳ × ۱۰⁻⁵ مول بر لیتر به‌دست می‌آید؛ یعنی هر لیتر آب تنها حدود ۲ میلی‌گرم نقره کلرید در خود نگه می‌دارد.

مثال عددی کاملاً حل‌شده

۲۵٫۰ میلی‌لیتر محلول نقره نیترات ۰٫۱۰۰ مولار را با مقدار اضافی سدیم کلرید مخلوط می‌کنیم. جرم رسوب چقدر است و چه مقدار نقره در محلول می‌ماند؟

1. مول یون نقره: n = ۰٫۱۰۰ × ۰٫۰۲۵۰ = ۲٫۵۰ × ۱۰⁻³ مول.
2. نسبت واکنش یک به یک است و کلرید اضافی داریم، پس همهٔ نقره رسوب می‌کند: n(AgCl) = ۲٫۵۰ × ۱۰⁻³ مول.
3. جرم مولی AgCl برابر ۱۰۷٫۹ + ۳۵٫۴ = ۱۴۳٫۳ گرم بر مول.
4. جرم رسوب: m = ۲٫۵۰ × ۱۰⁻³ × ۱۴۳٫۳ = ۰٫۳۵۸ گرم.
5. مقدار باقی‌مانده در محلول: اگر حجم کل را ۵۰ میلی‌لیتر بگیریم، با انحلال‌پذیری ۱٫۳ × ۱۰⁻⁵ مولار تنها حدود ۶٫۷ × ۱۰⁻⁷ مول یعنی حدود ۰٫۱ میلی‌گرم در محلول می‌ماند؛ کمتر از ۰٫۰۳ درصد کل نقره.

وجود کلرید اضافی این مقدار را حتی کمتر هم می‌کند، چون یون مشترک تعادل انحلال را به سمت جامد می‌راند. همین است که وزن‌سنجی رسوب را به روشی قابل اعتماد برای اندازه‌گیری مقدار یون تبدیل می‌کند.

کاربرد واقعی

سنجش مقدار کلرید آب دریا، شیر و سرم فیزیولوژیک با همین واکنش انجام می‌شود. در تصفیهٔ پساب صنعتی هم یون‌های سنگین مانند سرب و کادمیم را با افزودن سولفید یا هیدروکسید به شکل رسوب از آب جدا می‌کنند؛ روشی ارزان که حجم زیادی از فلز سمی را با یک واکنش ساده از چرخهٔ آب بیرون می‌برد.