Equilibrio di solubilità e prodotto di solubilità Kps

Perché alcuni sali si sciolgono abbondantemente in acqua e altri restano quasi insolubili? E come si prevede se, mescolando due soluzioni, si formerà un precipitato? La risposta sta nell’equilibrio di solubilità e nella sua costante, il prodotto di solubilità K_ps. È lo strumento quantitativo che governa precipitazioni, incrostazioni, formazione di calcoli e moltissimi processi di separazione.

Vediamo che cos’è l’equilibrio di solubilità, come si scrive il Kps e come prevedere la formazione di un precipitato.

L’equilibrio di solubilità

Quando si aggiunge un sale poco solubile all’acqua, una parte si scioglie e, raggiunta la saturazione, si instaura un equilibrio dinamico tra il solido indisciolto e i suoi ioni in soluzione: tante particelle si sciolgono quante se ne ridepositano. La soluzione satura non può sciogliere altro sale; l’eccesso resta come corpo di fondo, in equilibrio con gli ioni disciolti.

La costante Kps

Per un sale poco solubile che si dissocia, ad esempio A_mB_n ⇌ m A + n B, il prodotto di solubilità è il prodotto delle concentrazioni ioniche all’equilibrio, ciascuna elevata al proprio coefficiente:

K_ps = [A]^m [B]ⁿ

Si noti che il solido non compare nell’espressione (la sua “concentrazione” è costante). Il valore di Kps, tabulato per moltissimi sali, misura quanto è poco solubile un composto: più è piccolo, meno il sale si scioglie. Da Kps si ricava la solubilità molare, cioè quante moli di sale si sciolgono per litro nella soluzione satura.

Prevedere la precipitazione: Q contro Kps

Per sapere se, mescolando due soluzioni, si formerà un precipitato, si confronta il quoziente di reazione Q (calcolato con le concentrazioni effettive nel momento del mescolamento) con il Kps:

È lo stesso ragionamento Q-contro-K usato per gli equilibri in generale, applicato qui alla solubilità: un criterio semplice e operativo per prevedere la comparsa di un solido. In chimica analitica questo principio è alla base delle separazioni per precipitazione selettiva: aggiungendo un reagente con cautela, si può far precipitare prima lo ione il cui sale ha il Kps più piccolo, separandolo dagli altri ancora in soluzione. Storicamente, intere marce analitiche per il riconoscimento degli ioni metallici si basavano proprio sulla precipitazione successiva e controllata dei vari sali, sfruttando le differenze tra i rispettivi prodotti di solubilità.

L’effetto dello ione comune

Un fenomeno pratico importante è l’effetto dello ione comune: la solubilità di un sale diminuisce se in soluzione è già presente uno dei suoi ioni. Aggiungere, ad esempio, uno ione in comune sposta l’equilibrio di dissoluzione verso il solido (principio di Le Chatelier), riducendo la quantità di sale che può sciogliersi. È un effetto sfruttato per far precipitare in modo più completo una sostanza, abbassandone la solubilità con l’aggiunta controllata di un reagente. Vale anche il discorso opposto: la solubilità di molti sali poco solubili può aumentare se uno dei loro ioni viene “sottratto” alla soluzione da un’altra reazione — ad esempio se uno degli ioni è una base che viene neutralizzata da un acido. È il motivo per cui certi sali insolubili in acqua pura si sciolgono in ambiente acido: rimuovendo uno degli ioni dell’equilibrio, questo si sposta verso la dissoluzione di altro solido.

Perché conta nella pratica

Gli equilibri di solubilità governano fenomeni di grande rilievo: la formazione delle incrostazioni di calcare negli impianti, dei calcoli renali, dei depositi nelle tubazioni; le separazioni per precipitazione in chimica analitica; il trattamento delle acque, dove si rimuovono ioni indesiderati facendoli precipitare. Capire il Kps permette di prevedere e controllare quando un solido si forma o si scioglie, una competenza essenziale tanto in laboratorio quanto nella gestione di processi e impianti industriali. Nel trattamento delle acque, ad esempio, l’addolcimento consiste proprio nel rimuovere gli ioni calcio e magnesio responsabili della durezza, facendoli precipitare come sali poco solubili: una diretta applicazione del prodotto di solubilità a un problema quotidiano e di grande rilevanza economica.

Domande frequenti

Che cos’è il prodotto di solubilità Kps?

È la costante di equilibrio della dissoluzione di un sale poco solubile: il prodotto delle concentrazioni dei suoi ioni in soluzione satura, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico. Il solido non compare nell’espressione. Un Kps piccolo indica un sale molto poco solubile.

Qual è la differenza tra solubilità e Kps?

La solubilità è la quantità di sale che effettivamente si scioglie (per esempio in moli per litro); il Kps è la costante di equilibrio del processo. Sono legati — dalla solubilità si calcola il Kps e viceversa — ma non sono la stessa grandezza, e si possono confrontare direttamente solo per sali con la stessa stechiometria.

Come si prevede se si formerà un precipitato?

Confrontando il quoziente di reazione Q, calcolato con le concentrazioni effettive al momento del mescolamento, con il Kps: se Q è minore del Kps la soluzione è insatura e tutto resta disciolto; se è uguale è satura; se è maggiore la soluzione è sovrasatura e si forma il precipitato.

Che cos’è l’effetto dello ione comune?

È la diminuzione di solubilità di un sale quando in soluzione è già presente uno dei suoi ioni. Per il principio di Le Chatelier, l’aggiunta dello ione comune sposta l’equilibrio di dissoluzione verso il solido, riducendo la quantità di sale che può sciogliersi.

Il Kps dipende dalla temperatura?

Sì. Come ogni costante di equilibrio, il Kps dipende solo dalla temperatura. Per la maggior parte dei sali la solubilità (e quindi il Kps) aumenta con la temperatura, ma esistono eccezioni in cui diminuisce. Concentrazioni e ione comune spostano l’equilibrio ma non cambiano il valore del Kps.