Осад або хімічне осадження являє собою процес , який полягає у формуванні нерозчинного твердої речовини з суміші двох однорідних розчинів. На відміну від опадів дощів та снігів, у цьому виді опадів «дощ твердий» з поверхні рідини.
У двох однорідних розчинах іони розчиняються у воді. Коли вони взаємодіють з іншими іонами (під час перемішування), їх електростатичні взаємодії дозволяють виростити кристал або желеподібне тверде тіло. Завдяки дії сили тяжіння ця тверда речовина закінчується осіданням на дні скляного матеріалу.
Випадання опадів регулюється іонним балансом, який залежить від багатьох змінних: від концентрації та характеру досліджуваних видів до температури води та дозволеного часу контакту твердого тіла з водою.
Крім того, не всі іони здатні встановити цю рівновагу, або те, що однаково, не всі можуть наситити розчин у дуже низьких концентраціях. Наприклад, для осадження NaCl необхідно випаровувати воду або додавати більше солі.
Насичений розчин означає, що він не може розчинятися більш твердим, тому він опадає. Саме з цієї причини опади також є чіткою ознакою насиченості розчину.
Реакція опадів
Розглядаючи розчин з розчиненими іонами А та інший з іонами В, при їх змішуванні хімічне рівняння реакції передбачає:
A + (ac) + B - (ac) <=> AB (s)
Однак для А і В спочатку "майже" неможливо бути один, обов'язково потрібно супроводжуватися іншими іонами з протилежними зарядами.
У цьому випадку A + утворює розчинну сполуку з C - видами , а B - робить те ж саме з видами D + . Таким чином, хімічне рівняння тепер додає нові види:
AC (ac) + DB (ac) <=> AB (s) + DC (ac)
Вид A + витісняє види D + для утворення твердого AB; у свою чергу, вид C - витісняє B - з утворенням розчинного твердого постійного струму.
Тобто відбуваються подвійні переміщення (реакція метатези). Отже, реакція осадження - це реакція зміщення подвійних іонів.
Для прикладу на зображенні вище, у склянці містяться кристали золота йодиду свинцю (II) (PbI 2 ), продукту так званої реакції "золотого душу":
Pb (NO 3 ) 2 (ac) + 2KI (aq) => PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq)
Відповідно до попереднього рівняння, A = Pb 2+ , C - = NO 3 - , D = K + і B = I - .
Утворення осаду
На стінках склянки видно конденсовану воду від сильної спеки. З якою метою нагрівається вода? Щоб уповільнити процес утворення кристалів PbI 2 і підкреслити ефект золотого душу.
Зустрічаючи два I - аніони , катіон Pb 2+ утворює крихітне ядро з трьох іонів, якого недостатньо для створення кристала. Так само в інших регіонах розчину інші іони також збираються, щоб утворювати ядра; Цей процес відомий як зародження.
Ці ядра притягують інші іони, і, таким чином, вона виростає, утворюючи колоїдні частинки, відповідальні за жовту помутніння розчину.
Таким же чином ці частинки взаємодіють з іншими, щоб викликати згустки, і ці згустки з іншими, щоб остаточно виникнути осад.
Однак, коли це відбувається, осад є желеподібним, із яскравими натяками деяких кристалів, що «блукають» по розчину. Це тому, що швидкість зародження більша за зростання ядер.
З іншого боку, максимальний ріст ядра відбивається на блискучому кристалі. Щоб гарантувати цей кристал, розчин повинен бути трохи перенасиченим, що досягається підвищенням температури до опадів.
Таким чином, по мірі охолодження розчину ядра мають достатній час для зростання. Крім того, оскільки концентрація солей не дуже висока, температура контролює процес зародження. Отже, обидві змінні корисні для появи кристалів PbI 2 .
Продукт розчинності
PbI 2 встановлює рівновагу між нею та іонами в розчині:
PbI 2 (s) <=> Pb 2+ (ac) + 2I - (ac)
Константа цієї рівноваги називається постійною продуктом розчинності, K ps . Термін "продукт" відноситься до множення концентрацій іонів, що складають тверде тіло:
K ps = 2
Тут тверде тіло складається з іонів, виражених у рівнянні; однак він не вважає суцільним у цих розрахунках.
Концентрація іонів Pb 2+ та I - I дорівнює розчинності PbI 2 . Тобто, визначаючи розчинність однієї, іншої та постійної K ps, можна обчислити .
Для чого мають значення K ps для малорозчинних у воді сполук? Це міра ступеня нерозчинності сполуки при певній температурі (25ºC). Таким чином, чим менше K ps , тим він нерозчинніший.
Тому, порівнюючи цю величину зі значеннями інших сполук, можна передбачити, яка пара (наприклад, AB та DC) осадить першими. У випадку гіпотетичного з'єднання DC його K ps може бути настільки високим, що для осадження потрібні більш високі концентрації D + або C - у розчині.
Це ключ до того, що називають дробовими опадами. Так само, знаючи K ps для нерозчинної солі, можна розрахувати мінімальну кількість осаду в одному літрі води.
Однак у випадку KNO 3 такої рівноваги немає, тому їй не вистачає K ps . Насправді це високорозчинна сіль у воді.
Приклади
Реакції опадів - один із процесів, що збагачують світ хімічних реакцій. Деякі додаткові приклади (крім золотого душу):
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
Верхнє зображення ілюструє утворення білого осаду хлориду срібла. Взагалі більшість сполук срібла мають білі кольори.
BaCl 2 (aq) + K 2 SO 4 (aq) => BaSO 4 (s) + 2KCl (aq)
Утворюється білий осад сульфату барію.
2CuSO 4 (aq) + 2NaOH (aq) => Cu 2 (OH) 2 SO 4 (s) + Na 2 SO 4 (aq)
Утворюється синюватий осад двоосновного мідного (II) сульфату.
2AgNO 3 (aq) + K 2 CrO 4 (aq) => Ag 2 CrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq)
Утворюється оранжевий осад хромату срібла.
CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) => CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq)
Утворюється білий осад карбонату кальцію, також відомий як вапняк.
Fe (NO 3 ) 3 (aq) + 3NaOH (aq) => Fe (OH) 3 (s) + 3NaNO 3 (aq)
Нарешті, утворюється оранжевий осад гідроксиду заліза (III). Таким чином, реакції осадження утворюють будь-яку сполуку.
Список літератури
- Day, R., & Underwood, A. Кількісна аналітична хімія (5-е видання). PEARSON Prentice Hall, стор 97-103.
- Der Kreole. (6 березня 2011 р.). Золотий дощ. . Отримано 18 квітня 2018 року з: commons.wikimedia.org
- Енн Марі Гельменстін, к.т.н. (9 квітня 2017 р.). Визначення реакції опадів. Отримано 18 квітня 2018 року з: thinkco.com
- Принцип ле Шательє: Реакції опадів. Отримано 18 квітня 2018 року з: digipac.ca
- Професор Ботч. Хімічні реакції I: Чисті іонні рівняння. Отримано 18 квітня 2018 року з: lecturingemos.chem.umass.edu
- Луїсбрудна. (8 жовтня 2012 р.). Хлорид срібла (AgCl). . Отримано 18 квітня 2018 року з: commons.wikimedia.org
- Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 150, 153, 776-786.