В водном растворе осаждение — процесс превращения растворенного вещества в нерастворимое твердое вещество из пересыщенного раствора . [1] [2] Образовавшееся твердое вещество называется осадком . [3] В случае неорганической химической реакции, приводящей к осаждению, химический реагент, вызывающий образование твердого вещества, называется осадителем . [4]
Прозрачная жидкость, остающаяся над осажденной или центрифугированной твердой фазой, также называется надосадочной жидкостью или надосадочной жидкостью .
Понятие осаждения также можно распространить на другие области химии ( органическую химию и биохимию ) и даже применить к твердым фазам (например, металлургии и сплавам ), когда твердые примеси отделяются от твердой фазы.
Осаждение соединения может произойти, когда его концентрация превышает его растворимость . Это может быть связано с изменением температуры, испарением растворителя или смешиванием растворителей. Осаждение происходит быстрее из сильно пересыщенного раствора.
Образование осадка может быть вызвано химической реакцией. При взаимодействии раствора хлорида бария с серной кислотой образуется белый осадок сульфата бария . При взаимодействии раствора йодида калия с раствором нитрата свинца(II) образуется желтый осадок йодида свинца(II) .
Образование осадка полезно для определения типа катиона в соли . Для этого щелочь сначала реагирует с неизвестной солью с образованием осадка, представляющего собой гидроксид неизвестной соли. Для идентификации катиона отмечают цвет осадка и его растворимость в избытке. Подобные процессы часто используются последовательно - например, раствор нитрата бария вступает в реакцию с ионами сульфата с образованием твердого осадка сульфата бария , что указывает на вероятность присутствия ионов сульфата.
Типичным примером осаждения из водного раствора является хлорид серебра . При добавлении нитрата серебра (AgNO 3 ) к раствору хлорида калия (KCl) наблюдается осаждение белого твердого вещества (AgCl). [5] [6]
Ионное уравнение позволяет записать эту реакцию, детализируя диссоциированные ионы , присутствующие в водном растворе.
Восстановитель Вальдена является иллюстрацией реакции восстановления , непосредственно сопровождающейся осаждением менее растворимого соединения из-за его более низкой химической валентности:
Восстановитель Вальдена, изготовленный из крошечных кристаллов серебра , полученных погружением медной проволоки в раствор нитрата серебра , используется для восстановления до более низкой валентности любого иона металла, находящегося над парой серебра (Ag + + 1 e – → Ag) в шкала окислительно-восстановительного потенциала .
Без достаточных сил притяжения ( например , силы Ван-дер-Ваальса ), способных агрегировать твердые частицы вместе и удалять их из раствора под действием силы тяжести ( осаждение ), они остаются во взвешенном состоянии и образуют коллоиды . Седиментацию можно ускорить с помощью высокоскоростного центрифугирования . Полученную таким образом компактную массу иногда называют «таблеткой».
Пищеварение, или старение осадка , происходит, когда свежеобразованный осадок остается, обычно при более высокой температуре , в растворе, из которого он выпадает. В результате получаются более чистые и крупные рекристаллизованные частицы. Физико-химический процесс, лежащий в основе пищеварения, называется оствальдовским созреванием . [7] [8]
Хотя реакции осаждения можно использовать для изготовления пигментов , удаления ионов из раствора при очистке 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 выпадает в осадок по мере образования, предпочтительно образуя чистые кристаллы . Примером этого может быть синтез порфиринов в кипящей пропионовой кислоте . При охлаждении реакционной смеси до комнатной температуры кристаллы порфирина осаждаются и собираются фильтрованием на фильтре Бюхнера, как показано на фотографии рядом: [9]
Осаждение также может происходить при добавлении антирастворителя (растворителя, в котором продукт нерастворим), что резко снижает растворимость желаемого продукта. После этого осадок можно легко отделить декантацией , фильтрованием или центрифугированием . Примером может служить синтез хлорида тетрафенилпорфирина Cr 3+ : к раствору диметилформамида (ДМФ) , в котором произошла реакция, добавляют воду , и продукт выпадает в осадок. [10] Осаждение полезно при очистке многих других продуктов: например , сырой bmim -Cl растворяется в ацетонитриле и по каплям в этилацетат , где он выпадает в осадок. [11]
Очистку и разделение белков можно осуществлять методом осаждения при изменении природы растворителя или значения его диэлектрической проницаемости ( например , путем замены воды на этанол ) или путем увеличения ионной силы раствора. Поскольку белки имеют сложную третичную и четвертичную структуру из-за их специфической укладки и различных слабых межмолекулярных взаимодействий ( например , водородных мостиков), эти сверхструктуры могут быть модифицированы, а белки денатурированы и преципитированы. Другое важное применение антирастворителя — осаждение ДНК этанолом .
В твердых фазах осаждение происходит, если концентрация одного твердого вещества превышает предел растворимости в твердом веществе-хозяине, например, из-за быстрого охлаждения или ионной имплантации , а температура достаточно высока, чтобы диффузия могла привести к сегрегации в осадки. Осаждение в твердых телах обычно используется для синтеза нанокластеров . [12]
В металлургии осаждение из твердого раствора также является способом упрочнения сплавов .
Выделение керамических фаз в металлических сплавах, таких как гидриды циркония, в циркалойной оболочке ядерных твэлов также может сделать металлические сплавы хрупкими и привести к их механическому разрушению. Поэтому правильное соблюдение точного температурно-барического режима при охлаждении отработавшего ядерного топлива имеет важное значение для предотвращения повреждения его оболочек и сохранения целостности отработавших твэлов на длительный срок в сухих контейнерах хранения и в условиях геологического захоронения.
Осаждение гидроксидом, вероятно, является наиболее широко используемым промышленным процессом осаждения, при котором гидроксиды металлов образуются путем добавления гидроксида кальция ( гашеная известь ) или гидроксида натрия ( каустическая сода ) в качестве осадителя.
Порошки, полученные в результате различных процессов осаждения, также исторически были известны как «цветы».
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link); Коллективный том , том. 10, с. 184