Осадки (химия)

Химический процесс, приводящий к осаждению нерастворимого твердого вещества из раствора.

Принцип химического осаждения в водном растворе

В водном растворе осаждение представляет собой «осаждение твердого материала (осадка) из жидкого 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 , оставшаяся над осажденной или центрифугированной твердой фазой , также называется супернатантом .

Понятие осаждения можно распространить и 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.

Пересыщение

Осаждение соединения может произойти, когда его концентрация превышает его растворимость . Это может быть вызвано изменением температуры, испарением растворителя или смешиванием растворителей. Осаждение происходит быстрее из сильно пересыщенного раствора.

Образование осадка может быть вызвано химической реакцией. При реакции раствора хлорида бария с серной кислотой образуется белый осадок сульфата бария . При реакции раствора иодида калия с раствором нитрата свинца(II) образуется желтый осадок иодида свинца(II) .

Неорганическая химия

Образование осадка полезно для определения типа катиона в соли . Для этого щелочь сначала реагирует с неизвестной солью, образуя осадок, который является гидроксидом неизвестной соли. Для идентификации катиона отмечают цвет осадка и его растворимость в избытке. Подобные процессы часто используются последовательно — например, раствор нитрата бария будет реагировать с сульфат -ионами, образуя твердый осадок сульфата бария , что указывает на вероятность присутствия сульфат-ионов.

Распространенным примером осаждения из водного раствора является осаждение хлорида серебра . При добавлении нитрата серебра (AgNO ₃ ) к раствору хлорида калия (KCl) наблюдается осаждение белого твердого вещества (AgCl). ^{[5] [6]}

${\displaystyle {\ce {AgNO3 + KCl -> AgCl (v) + KNO3}}}$

Ионное уравнение позволяет записать эту реакцию, детализируя диссоциированные ионы, присутствующие в водном растворе.

${\displaystyle {\ce {Ag+ + NO3^- + K+ + Cl^- -> AgCl (v) + K+ + NO3^-}}}$

Восстановительные осадки

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

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

${\displaystyle {\ce {Cu + 2 Ag+ -> Cu^2+ + 2 Ag}}}$

Восстановитель Вальдена, изготовленный из мельчайших кристаллов серебра , полученных путем погружения медной проволоки в раствор нитрата серебра, используется для восстановления до более низкой валентности любого металлического иона, расположенного выше пары серебра (Ag ⁺ + 1 e ^– → Ag) в шкале окислительно-восстановительного потенциала .

Коллоидные суспензии

Без достаточных сил притяжения ( например , силы Ван-дер-Ваальса ) для объединения твердых частиц вместе и удаления их из раствора под действием силы тяжести ( осаждения ), они остаются во взвешенном состоянии и образуют коллоиды . Осаждение может быть ускорено высокоскоростным центрифугированием . Полученная таким образом компактная масса иногда называется «гранулой».

Пищеварение и ускорение старения

Дигестрация, или старение осадка , происходит, когда свежеобразованный осадок оставляют, обычно при более высокой температуре , в растворе, из которого он выпадает в осадок. Это приводит к более чистым и более крупным перекристаллизованным частицам. Физико-химический процесс, лежащий в основе дигестрации, называется созреванием Оствальда . ^{[7] [8]}

Органическая химия

Кристаллы мезо -тетратолилпорфирина из кипящей пропионовой кислоты выпадают в осадок при охлаждении. Фотография воронки Бюхнера на колбе Бюхнера .

В то время как реакции осаждения могут использоваться для создания 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 осаждается по мере своего образования, предпочтительно образуя чистые кристаллы . Примером этого может служить синтез порфиринов в кипящей пропионовой кислоте . При охлаждении реакционной смеси до комнатной температуры кристаллы порфирина осаждаются и собираются путем фильтрации на фильтре Бюхнера, как показано на фотографии рядом: ^[9]

Осаждение может также происходить при добавлении антирастворителя (растворителя, в котором продукт нерастворим), что резко снижает растворимость желаемого продукта. После этого осадок можно легко отделить декантацией , фильтрацией или центрифугированием . Примером может служить синтез тетрафенилпорфиринхлорида Cr3 + ^: вода добавляется к раствору диметилформамида (ДМФА) , в котором произошла реакция, и продукт выпадает в осадок. ^[10] Осаждение полезно для очистки многих других продуктов: например , сырой bmim -Cl поглощается ацетонитрилом и капается в этилацетат , где он выпадает в осадок. ^[11]

Биохимия

Очистка и разделение белков может быть выполнено путем осаждения путем изменения природы растворителя или значения его относительной диэлектрической проницаемости ( например , путем замены воды на этанол ), или путем увеличения ионной силы раствора. Поскольку белки имеют сложные третичные и четвертичные структуры из-за их специфического сворачивания и различных слабых межмолекулярных взаимодействий ( например , водородных мостиков), эти суперструктуры могут быть модифицированы, а белки денатурированы и осаждены. Другим важным применением антирастворителя является осаждение ДНК этанолом .

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 разделению на осадки. Осаждение в твердых телах обычно используется для синтеза нанокластеров . ^[12]

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

Осаждение керамических фаз в металлических сплавах, таких как гидриды циркония в циркалоевой оболочке ядерных топливных стержней, также может сделать металлические сплавы хрупкими и привести к их механическому разрушению. Поэтому правильное управление точными условиями температуры и давления при охлаждении отработанного ядерного топлива имеет важное значение для предотвращения повреждения его оболочки и для сохранения целостности отработанных топливных элементов в долгосрочной перспективе в сухих контейнерах для хранения и в условиях геологического захоронения.

Промышленные процессы

Осаждение гидроксидом, вероятно, является наиболее широко используемым промышленным процессом осаждения, в котором гидроксиды металлов образуются путем добавления гидроксида кальция ( гашеной извести ) или гидроксида натрия ( едкого натра ) в качестве осадителя.

История

Порошки, полученные в результате различных процессов осаждения, также исторически известны как «цветы».

Смотрите также

• Соосаждение
• Вскипание , «стрелка вверх»
• Зона, свободная от осадков
• Соление в
• Высаливание

Ссылки

1. "осаждение". Золотая книга ИЮПАК .
2. "Химическое осаждение". Encyclopedia Britannica . Получено 28.11.2020 .
3. "преципитат". Словарь Merriam-Webster.com . Merriam-Webster . Получено 28.11.2020 .
4. "precipitant". Словарь Merriam-Webster.com . Merriam-Webster . Получено 28.11.2020 .
5. Zumdahl, Steven S.; DeCoste, Donald J. (2012). Химические принципы. Cengage Learning. ISBN 978-1-133-71013-4.
6. Zumdahl, Steven S.; DeCoste, Donald J. (2018). Введение в химию: Основы. Cengage Learning. ISBN 978-1-337-67132-3.
7. Венгренович, РД (1982). «О теории созревания Оствальда». Acta Metallurgica . 30 (6): 1079–1086. doi :10.1016/0001-6160(82)90004-9. ISSN  0001-6160.
8. Voorhees, PW (1985). «Теория созревания Оствальда». Журнал статистической физики . 38 (1–2): 231–252. Bibcode : 1985JSP....38..231V. doi : 10.1007/BF01017860. ISSN  0022-4715. S2CID  14865117.
9. AD Adler; FR Longo; JD Finarelli; J. Goldmacher; J. Assour; L. Korsakoff (1967). "Упрощенный синтез мезо-тетрафенилпорфина". J. Org. Chem. 32 (2): 476. doi :10.1021/jo01288a053.
10. Алан Д. Адлер; Фредерик Р. Лонго; Фрэнк Кампас; Джин Ким (1970). «О получении металлопорфиринов». Журнал неорганической и ядерной химии . 32 (7): 2443. doi :10.1016/0022-1902(70)80535-8.
11. Dupont, J., Consorti, C., Suarez, P., de Souza, R. (2004). «Приготовление ионных жидкостей на основе 1-бутил-3-метилимидазолия при комнатной температуре». Органические синтезы{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link); Собрание томов , т. 10, стр. 184.
12. Дхара, С. (2007). «Формирование, динамика и характеристика наноструктур с помощью ионного пучка». Критические обзоры по твердому телу и материаловедению . 32 (1): 1–50. Bibcode : 2007CRSSM..32....1D. doi : 10.1080/10408430601187624. S2CID  98639891.

Дальнейшее чтение

• Zumdahl, Steven S. (2005). Химические принципы (5-е изд.). Нью-Йорк: Houghton Mifflin. ISBN 0-618-37206-7.

Внешние ссылки

• Реакции осаждения некоторых катионов
• Инструменты для пищеварения
• Диссертация на тему «Формирование структур в реакциях осаждения»