Осадки (химия) - Precipitation (chemistry)

Принцип химического осаждения в водном растворе

В водном растворе осаждение - это процесс превращения растворенного вещества в нерастворимое твердое вещество из перенасыщенного раствора . Образовавшееся твердое вещество называется осадком . В случае неорганической химической реакции, приводящей к осаждению, химический реагент, вызывающий образование твердого вещества, называется осадителем .

Прозрачная жидкость, остающаяся над осажденной или центрифугированной твердой фазой, является « супернатантом» или « супернатантом» .

Понятие осаждения можно также распространить на другие области химии (органическая химия и биохимия) и даже применить к твердым фазам ( например , металлургия и сплавы), когда твердые примеси отделяются от твердой фазы.

Пересыщение

Осаждение соединения может происходить, когда его концентрация превышает его растворимость . Это может быть связано с изменениями температуры, испарением растворителя или смешиванием растворителей. Осаждение происходит быстрее из сильно перенасыщенного раствора.

Образование осадка может быть вызвано химической реакцией. Когда раствор хлорида бария вступает в реакцию с серной кислотой , образуется белый осадок сульфата бария . Когда раствор иодида калия реагирует с раствором нитрата свинца (II) , образуется желтый осадок иодида свинца (II) .

Зарождение

Важным этапом процесса осаждения является начало зародышеобразования . Создание твердой частицы подразумевает образование границы раздела с раствором. Это включает изменения энергии в зависимости от свободной энергии реакции растворения ( эндотермический или экзотермический процесс, сопровождающийся увеличением энтропии ) и относительной поверхностной энергии, развиваемой между твердым телом и раствором. Если изменения энергии неблагоприятны или отсутствуют подходящие центры зародышеобразования, осаждение не происходит и раствор остается перенасыщенным.

Неорганическая химия

Осаждение в водном растворе

Типичным примером реакции осаждения в водном растворе является хлорид серебра . При добавлении нитрата серебра (AgNO 3 ) к раствору хлорида калия (KCl) наблюдается выпадение белого твердого вещества (AgCl).

Ионное уравнение позволяет записывать эту реакцию, подробно на диссоциированных ионах присутствующие в водном растворе.

Редукционные осадки

Иллюстрация редуктора Вальдена . Медь из проволоки вытесняется серебром из раствора нитрата серебра, в который ее окунают, и кристаллы металлического серебра осаждаются на медной проволоке.

Восстановитель Вальдена является иллюстрацией реакции восстановления, непосредственно сопровождающейся осаждением менее растворимого соединения из-за его более низкой химической валентности:

Восстановитель Вальдена, сделанный из крошечных кристаллов серебра, полученных погружением медной проволоки в раствор нитрата серебра , используется для восстановления до их более низкой валентности любого металлического иона, расположенного над парой серебра (Ag + + 1 e - → Ag) в шкала окислительно-восстановительного потенциала .

Цвета осадка

Красновато-коричневые пятна на образце керна известняка, соответствующие осаждениям оксидов / гидроксидов Fe3+
.

Многие соединения , содержащие металлические ионы производят осадки с отличительными цветами. Ниже приведены некоторые типичные цвета для различных металлов. Однако многие из этих соединений могут давать цвета, сильно отличающиеся от перечисленных.

Металл Цвет
Хром Синий, темно-зеленый, темно-зеленый, оранжевый, желтый, коричневый
Кобальт Розовый (при увлажнении)
Медь Синий
Железо (II) Грязный зеленый
Железо (III) Красновато-коричневый
Марганец Бледно-розовый (Mn 2+ )
Никель Зеленый

Многие соединения часто образуют белые осадки.

Качественный анализ анионов / катионов

Образование осадка полезно для определения типа катиона в соли . Для этого щелочь сначала реагирует с неизвестной солью с образованием осадка, который представляет собой гидроксид неизвестной соли. Для идентификации катиона отмечают цвет осадка и его избыточную растворимость. Подобные процессы часто используются последовательно - например, раствор нитрата бария будет реагировать с сульфат- ионами с образованием твердого осадка сульфата бария , что указывает на вероятность присутствия сульфат-ионов.

Коллоидные суспензии

Без достаточных сил притяжения ( например , силы Ван-дер-Ваальса ) для агрегирования твердых частиц вместе и удаления их из раствора под действием силы тяжести ( осаждения ) они остаются во взвешенном состоянии и образуют коллоиды . Осаждение можно ускорить высокоскоростным центрифугированием . Полученную таким образом компактную массу иногда называют «гранулой».

Пищеварение и ускоряет старение

Переваривание или старение осадка происходит, когда в растворе, из которого он выпадает, остается свежеобразованный осадок, обычно при более высокой температуре . Это приводит к более чистым и крупным рекристаллизованным частицам. Физико-химический процесс, лежащий в основе пищеварения, называется созреванием Оствальда .

Органическая химия

Кристаллы мезо -tetratolylporphyrin из кипячении с обратным холодильником в пропионовой кислоты осадок при охлаждении. Фотография из воронки Бюхнера на верхней части колбы Бюхнера .

Хотя реакции осаждения могут использоваться для изготовления пигментов , удаления ионов из раствора при обработке воды и в классическом качественном неорганическом анализе , осаждение также обычно используется для выделения продуктов органической реакции во время операций обработки и очистки. В идеале продукт реакции нерастворим в растворителе, используемом для реакции. Таким образом, он осаждается по мере образования, предпочтительно с образованием чистых кристаллов . Примером этого может быть синтез порфиринов в кипящей пропионовой кислоте . При охлаждении реакционной смеси до комнатной температуры кристаллы порфирина выпадают в осадок и собираются фильтрацией на фильтре Бюхнера, как показано на фотографии рядом:

Синтез порфирина

Осаждение может также происходить при добавлении антирастворителя (растворителя, в котором продукт нерастворим), что резко снижает растворимость желаемого продукта. После этого осадок можно легко отделить декантированием , фильтрацией или центрифугированием . Примером может служить синтез хлорида тетрафенилпорфирина Cr 3+ : к раствору диметилформамида (ДМФ), в котором протекает реакция, добавляют воду , и продукт осаждается. Осаждение полезно для очистки многих других продуктов: например , неочищенный bmim -Cl поглощается ацетонитрилом и по каплям помещается в этилацетат , где он осаждается.

Биохимия

Очистку и разделение белков можно выполнять путем осаждения при изменении природы растворителя или значения его диэлектрической проницаемости ( например , путем замены воды этанолом ) или путем увеличения ионной силы раствора. Поскольку белки имеют сложные третичные и четвертичные структуры из-за их специфической укладки и различных слабых межмолекулярных взаимодействий ( например , водородных мостиков), эти сверхструктуры могут быть модифицированы, а белки денатурированы и осаждены. Другим важным применением антирастворителя в осаждением этанолом из ДНК .

Металлургия и сплавы

В твердых фазах осаждение происходит, если концентрация одного твердого вещества превышает предел растворимости в твердом веществе-хозяине, например, из-за быстрого гашения или ионной имплантации , а температура достаточно высока, чтобы диффузия могла привести к сегрегации в осадки. Осаждение в твердых телах обычно используется для синтеза нанокластеров .

В металлургии осаждение из твердого раствора также является способом упрочнения сплавов .

Осаждение керамических фаз в металлических сплавах, таких как гидриды циркония, в оболочке из циркалоя стержней ядерного топлива также может сделать металлические сплавы хрупкими и привести к их механическому разрушению. Поэтому правильное соблюдение точных условий температуры и давления при охлаждении отработавшего ядерного топлива важно, чтобы избежать повреждения их оболочки и сохранить целостность отработавших тепловыделяющих элементов в течение длительного времени в контейнерах для сухого хранения и в условиях геологического захоронения.

Промышленные процессы

Осаждение гидроксида, вероятно, является наиболее широко используемым промышленным процессом осаждения, в котором гидроксиды металлов образуются путем добавления гидроксида кальция ( гашеная известь ) или гидроксида натрия ( каустическая сода ) в качестве осадителя.

История

Порошки, полученные в результате различных процессов осаждения, также исторически назывались «цветами».

Смотрите также

использованная литература

Дополнительное чтение

внешние ссылки