Какво е утайка в химията?

В химията процесът на утаяване се отнася или до химическа реакция , или до физичен процес, при който разтворимостта на дадено вещество в разтвор се намалява или се образува неразтворимо съединение, след което от разтвор се образува твърдо вещество. Твърдото вещество, което се получава чрез реакцията на утаяване, се нарича „утайка“ .

В зависимост от условията на утаяване, образуваните утайки могат да бъдат чисти вещества или смеси от различни твърди вещества. Утаяването има множество приложения в различни области на химията, както и в други процеси, като пречистване на отпадъчни води. Процесът на образуване на утайка е обяснен по-долу, какви фактори го влияят и най-важните приложения на този тип твърди вещества.

Процесът на утаяване

Образуването на утайка зависи от едно свойство на веществото: неговата разтворимост. Докато концентрацията на дадено вещество е по-малка от неговата разтворимост в разтворителя, не може да се образува утайка. Процесът на образуване на утайка започва, когато поради добавянето на утаяващ агент или промени в условията като температура или разтворител, разтворимостта на съединението намалява под неговата разтворимост.

В този момент разтворът ще бъде в състояние на свръхнасищане, така че твърдото вещество ще започне да се утаява до достигане на концентрацията на насищане, като по този начин се установява равновесието на разтворимостта.

Първоначално се образуват хиляди малки твърди частици, които остават в суспензия, придавайки на разтвора мътен вид. Този процес се нарича нуклеация. След това тези малки кристали растат и се свързват един с друг чрез процес, наречен флокулация; това се случва, докато тежестта им не ги завлече на дъното, където се установяват.

Както може да се види на фигурата, твърдото вещество, което се натрупва на дъното, съответства на утайката, докато разтворът, който остава отгоре, се нарича супернатант.

Продуктът на разтворимостта

За йонните съединения равновесието на разтворимост се управлява от реакцията на разтваряне и дисоциация на съединението и от неговата равновесна константа, която се нарича константа на продукта на разтворимост. Това най-общо може да бъде представено като:

В това химическо уравнение a и b представляват съответно зарядите на катиона M ^a+ и аниона A ^b- , както и стехиометричните коефициенти на A ^b- и M ^a+ . K _ps представлява константата на продукта на разтворимост.

Познавайки концентрацията на йоните в разтвора, може да се предвиди дали ще се образува утайка или не:

• Когато произведението на концентрациите на йони в разтвора, повишени до техните стехиометрични коефициенти, е по-малко от K _ps , тогава разтворът е ненаситен и все още допуска разтвор на повече разтворено вещество. В този случай не се образува утайка.
• Когато споменатият продукт е точно равен на K _ps , тогава разтворът е наситен . Той не допуска повече разтворено вещество, но не се образува и утайка, тъй като системата е в равновесие.
• Когато произведението на концентрациите надвишава Kps _, тогава разтворът е наситен и се образува утайка.

Техники за образуване на утайки

Въз основа на горното става ясно, че има два основни начина за образуване на утайка от първоначално ненаситен разтвор: или концентрацията на единия или и на двата участващи йона се увеличава, докато разтворът стане свръхнаситен, или стойността на равновесната константа на реакцията. Това обикновено се постига по два различни начина:

Добавяне на утаяващи агенти

Този процес се състои в добавяне към разтвора на съединение, което съдържа един от двата йона на утайката, която искаме да образуваме. Тъй като концентрацията на този йон се увеличава, разтворът в крайна сметка ще стане свръхнаситен и ще започне да се образува желаната утайка.

Веществото, което се добавя, за да стимулира образуването на утайка, се нарича утаяващ агент.

намалена разтворимост

Другият начин за преодоляване на разтворимостта на съединението, което искаме да утаим, е чрез намаляване на неговата разтворимост, което предполага намаляване на константата на продукта на разтворимост. Това може да стане по два начина:

• Смяна на температурата . Тъй като повечето разтворени вещества стават по-малко разтворими с понижаване на температурата, охлаждането на разтвора спомага за образуването на утайка.
• Модифициране на разтворителя . Това се състои в бавно смесване на разтвора с втори разтворител, който се смесва с първия, но в който разтвореното вещество е по-малко разтворимо. Тъй като фракцията на втория разтворител (който може да бъде например алкохол) се увеличава, разтворимостта на разтвореното вещество ще намалява, докато достигне насищане. След тази точка ще се образува утайката.

видове утайки

В зависимост от размера на частиците на образуваното твърдо вещество и техните седиментационни свойства се разграничават три вида утайка.

кристални утайки

Те са образувани от твърди частици с правилни и добре дефинирани форми, обикновено с плоски лица. Те обикновено имат размери по-големи от 100 nm. Те обикновено се отделят бързо от супернатантната течност поради високата скорост на утаяване.

сиренести утайки

Те са съставени от частици с диаметър между 10 и 100 nm. Те не могат да бъдат отделени чрез филтриране, тъй като лесно преминават през порите на повечето филтри. Този тип утайка придава мътен вид на разтвора.

желатинови преципитати

Както показва името му, появата на тези утайки придава на разтвора желатинова консистенция, сякаш е конфитюр. Това е така, защото суспендираните твърди частици са много малки (диаметърът им е по-малък от 10 nm) и са покрити от няколко слоя молекули на разтворителя, като гел.

химическо утаяване

Подобен термин, свързан с използването на утайки в химията, е процесът на „химическо утаяване“. Въпреки че може да изглежда излишно, този термин всъщност се отнася конкретно до използването на реакции на утаяване с цел отстраняване на примесите от водата по време на пречистването на отпадъчните води.

При химическото утаяване, утаяващите агенти, както и флокуланти и други химични реагенти се добавят в големи количества за отстраняване на тежки метали като живак и олово, както и други важни замърсители.

Химическото утаяване е многоетапен процес, който се извършва в 4 стъпки, които са:

1. Добавяне на утаяващия агент и регулиране на pH. Това е стъпката, която намалява разтворимостта на замърсителите, така че те започват да се утаяват.
2. флокулация. Като цяло, след добавянето на утаителя, замърсителят не се утаява, а вместо това образува суспензия от малки твърди частици. Флокулацията се състои от процеса на агрегиране на тези малки частици, за да се образуват по-големи частици, които се отделят по-лесно от разтвора на супернатанта.
3. Утаяване. След като се образуват флокули или твърди частици с достатъчно голям размер, водата се оставя да се утаи или да тече бавно, за да позволи на тези частици да се утаят на дъното, оставяйки разтвора на супернатантата чист от всякакво замърсяване.
4. Разделяне на твърдо-течно вещество. Последният етап от процеса се състои в отделяне, обикновено чрез утаяване, на калта с утайката от пречистената вода, която се изхвърля в околната среда.

Приложения на валежите и утайките

Утаяването се използва много често в различни клонове на химията за различни цели. Аналитичната, органичната и неорганичната химия се възползват по някакъв начин от образуването на утайки. Нека да разгледаме някои конкретни примери.

Утайки в аналитичната химия

В аналитичната химия утайките се използват както при качествен, така и при количествен анализ.

Качествените аналитични процеси, използвани за идентифициране на наличието на определени катиони и аниони в проба, често разчитат на образуването на утайки и тяхното правилно идентифициране.

Например, образуването на утайка с един цвят, а не с друг, помага на химиците-аналитици да определят кой катион присъства в пробата. Понякога дори можете да разберете в какво състояние на окисление е катионът въз основа на неговия цвят и други свойства, тъй като те често образуват соли с подчертано различни цветове.

При количествения анализ утайките са също толкова важни. Гравиметричният анализ се основава на количественото утаяване на аналита от разтвор на проба. Масата на тази утайка позволява да се определи с добра прецизност и точност количеството на споменатия аналит, който присъства в пробата.

Има и случаи, в които образуването на утайка маркира крайната точка на титруване, както при преципитометрията.

утайки в органичната химия

Утайките са не по-малко важни в органичната химия. Процесите на органичен синтез почти винаги се извършват в разтвор и когато желаните продукти са твърди при стайна температура, те винаги се възстановяват като утайки. В допълнение, процесът на прекристализация, който е една от най-често срещаните форми на пречистване на твърди вещества в органичната химия, също се основава на разтваряне, пречистване, утаяване и последващо филтриране на утайка.

Утайки в неорганичната химия

Много синтетични процеси в неорганичната химия също се основават на образуването на утайки. Много реакции на синтез на йонни съединения и други координационни съединения като комплексни соли се състоят от утаяване на катион с използването на подходящ анион.

В допълнение, процесите на фракционно утаяване също представляват важен метод за разделяне на аниони и катиони в разтвора.

Примери за утайки

сребърни халогениди

Сребърният (I) йон образува силно неразтворими соли с всички халогени. Поради тази причина AgI, AgCl и AgBr са примери за утайки, които обикновено възникват в химическата лаборатория.

стронциев карбонат

Един от начините за отстраняване на стронций от разтвор или отпадна вода е да се утаи под формата на стронциев карбонат (SrCO ₃ ), който е силно неразтворима сол.

антимонов хидроксид

Антимонът обикновено се утаява като негов хидроксид (Sb(OH) ₃ ) просто чрез алкализиране на разтвора. Това се постига чрез добавяне на малко разтворим хидроксид като утаяващ агент.

Цезиев тетрафенилборат

Алкалните метали като цяло са много трудни за утаяване, тъй като по-голямата част от техните соли са силни електролити, които са силно разтворими във вода. Въпреки това, цезият може да се утаи като цезиев тетрафенилборат ((C ₆ H ₅ ) ₄ BCs).

меден сулфид

Сулфидният йон под формата на натриев сулфид или сероводород е популярен утаяващ агент, тъй като образува силно неразтворими съединения в алкална среда с много преходни метали. Пример за това е меден (II) сулфид. Тези съединения могат впоследствие да бъдат разтворени в кисела среда.

Препратки

Chang, R., & Goldsby, K. (2015). Химия (12-то ^{издание} ). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill Education.

Skoog, DA, West, DM, Holler, J., & Crouch, SR (2021). Основи на аналитичната химия (9-то издание). Бостън, Масачузетс: Cengage Learning.

Striebig, BA (2005). Химическо утаяване. Във водната енциклопедия .

Wang, LK, Vaccari, DA, Li, Y., & Shammas, NK (2005). Химическо утаяване. Процеси на физикохимично третиране, 141–197.  doi:10.1385/1-59259-820-x:141