Τι είναι το ίζημα στη χημεία;

Στη χημεία , η διαδικασία καθίζησης αναφέρεται είτε σε μια χημική αντίδραση είτε σε μια φυσική διαδικασία με την οποία μειώνεται η διαλυτότητα μιας ουσίας σε διάλυμα ή σχηματίζεται μια αδιάλυτη ένωση, μετά την οποία σχηματίζεται ένα στερεό από διάλυμα υπερκορεσμένο. Το στερεό που λαμβάνεται μέσω της αντίδρασης καθίζησης ονομάζεται “ίζημα” .

Ανάλογα με τις συνθήκες καθίζησης, τα ιζήματα που σχηματίζονται μπορεί να είναι καθαρές ουσίες ή μείγματα διαφορετικών στερεών. Η καθίζηση έχει πολλαπλές εφαρμογές σε διαφορετικούς τομείς της χημείας, καθώς και σε άλλες διεργασίες, όπως ο καθαρισμός των λυμάτων. Στη συνέχεια, εξηγείται η διαδικασία σχηματισμού ενός ιζήματος, ποιοι παράγοντες το επηρεάζουν και οι σημαντικότερες εφαρμογές αυτού του τύπου στερεών.

Η διαδικασία της βροχόπτωσης

Ο σχηματισμός ενός ιζήματος εξαρτάται από μια μοναδική ιδιότητα μιας ουσίας: τη διαλυτότητά της. Όσο η συγκέντρωση μιας ουσίας είναι μικρότερη από τη διαλυτότητά της στο διαλύτη, δεν μπορεί να σχηματιστεί ίζημα. Η διαδικασία σχηματισμού ιζήματος ξεκινά όταν, λόγω της προσθήκης ενός παράγοντα καθίζησης ή μεταβολών σε συνθήκες όπως η θερμοκρασία ή ο διαλύτης, η διαλυτότητα της ένωσης μειώνεται κάτω από τη διαλυτότητά της.

Σε εκείνο το σημείο, το διάλυμα θα είναι σε κατάσταση υπερκορεσμού, οπότε το στερεό θα αρχίσει να καταβυθίζεται μέχρι να φτάσει στη συγκέντρωση κορεσμού, δημιουργώντας έτσι την ισορροπία διαλυτότητας.

Στην αρχή σχηματίζονται χιλιάδες μικρά στερεά σωματίδια και παραμένουν σε εναιώρημα, δίνοντας στο διάλυμα μια θολή εμφάνιση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται πυρήνωση. Αυτοί οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι στη συνέχεια αναπτύσσονται και συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται κροκίδωση. αυτό συμβαίνει μέχρι το βάρος τους να τους παρασύρει στον πάτο, όπου και εγκαθίστανται.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, το στερεό που συσσωρεύεται στον πυθμένα αντιστοιχεί στο ίζημα, ενώ το διάλυμα που παραμένει από πάνω ονομάζεται υπερκείμενο.

Το προϊόν διαλυτότητας

Για τις ιοντικές ενώσεις, η ισορροπία διαλυτότητας διέπεται από την αντίδραση διάλυσης και διάστασης της ένωσης και από τη σταθερά ισορροπίας της, η οποία ονομάζεται σταθερά προϊόντος διαλυτότητας. Αυτό μπορεί γενικά να αναπαρασταθεί ως:

Σε αυτή τη χημική εξίσωση , τα a και b αντιπροσωπεύουν τα φορτία του κατιόντος M ^a+ και του ανιόντος A ^b- , αντίστοιχα, καθώς και τους στοιχειομετρικούς συντελεστές των A ^b- και M ^a+ . Το K _ps αντιπροσωπεύει τη σταθερά του προϊόντος διαλυτότητας.

Γνωρίζοντας τη συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα, μπορεί να προβλεφθεί εάν θα σχηματιστεί ίζημα ή όχι:

• Όταν το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων στο διάλυμα αυξημένο στους στοιχειομετρικούς τους συντελεστές είναι μικρότερο από K _ps , τότε το διάλυμα είναι ακόρεστο και εξακολουθεί να δέχεται το διάλυμα περισσότερης διαλυμένης ουσίας. Στην περίπτωση αυτή δεν σχηματίζεται ίζημα.
• Όταν το εν λόγω προϊόν είναι ακριβώς ίσο με K _ps , τότε το διάλυμα είναι κορεσμένο . Δεν δέχεται περισσότερη διαλυμένη ουσία, αλλά ούτε σχηματίζεται ίζημα, αφού το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία.
• Όταν το γινόμενο των συγκεντρώσεων υπερβαίνει το K _ps , τότε το διάλυμα είναι κορεσμένο και σχηματίζεται ίζημα.

Τεχνικές σχηματισμού ιζημάτων

Με βάση τα παραπάνω, είναι σαφές ότι υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για να σχηματιστεί ένα ίζημα από ένα αρχικά ακόρεστο διάλυμα: είτε η συγκέντρωση ενός ή και των δύο από τα εμπλεκόμενα ιόντα αυξάνεται έως ότου το διάλυμα υπερκορεσθεί, είτε η τιμή της σταθεράς ισορροπίας της αντίδρασης. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με δύο διαφορετικούς τρόπους:

Προσθήκη παραγόντων καθίζησης

Αυτή η διαδικασία συνίσταται στην προσθήκη στο διάλυμα μιας ένωσης που περιέχει ένα από τα δύο ιόντα του ιζήματος που θέλουμε να σχηματίσουμε. Καθώς η συγκέντρωση αυτού του ιόντος αυξάνεται, το διάλυμα θα γίνει τελικά υπερκορεσμένο και το επιθυμητό ίζημα θα αρχίσει να σχηματίζεται.

Η ουσία που προστίθεται για να διεγείρει το σχηματισμό του ιζήματος ονομάζεται παράγοντας καθίζησης.

μειωμένη διαλυτότητα

Ο άλλος τρόπος για να ξεπεραστεί η διαλυτότητα της ένωσης που θέλουμε να κατακρημνίσουμε είναι μειώνοντας τη διαλυτότητά της, που συνεπάγεται μείωση της σταθεράς του προϊόντος διαλυτότητας. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:

• Αλλαγή θερμοκρασίας . Δεδομένου ότι οι περισσότερες διαλυμένες ουσίες γίνονται λιγότερο διαλυτές καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, η ψύξη του διαλύματος βοηθά να σχηματιστεί ένα ίζημα.
• Τροποποίηση του διαλύτη . Αυτό συνίσταται στην αργή ανάμιξη του διαλύματος με έναν δεύτερο διαλύτη που είναι αναμίξιμος με τον πρώτο, αλλά στον οποίο η διαλυμένη ουσία είναι λιγότερο διαλυτή. Καθώς το κλάσμα του δεύτερου διαλύτη (που μπορεί να είναι, για παράδειγμα, αλκοόλη) αυξάνεται, η διαλυτότητα της διαλυμένης ουσίας θα μειωθεί μέχρι να φτάσει σε κορεσμό. Μετά από αυτό το σημείο, θα σχηματιστεί το ίζημα.

είδη ιζημάτων

Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων του στερεού που σχηματίζεται και τις ιδιότητες καθίζησης τους, διακρίνονται τρεις τύποι ιζήματος.

κρυσταλλικά ιζήματα

Είναι αυτά που σχηματίζονται από στερεά σωματίδια με κανονικά και καλά καθορισμένα σχήματα, γενικά με επίπεδες όψεις. Συνήθως έχουν μεγέθη μεγαλύτερα από 100nm. Αυτά συνήθως διαχωρίζονται από το υπερκείμενο υγρό γρήγορα λόγω του υψηλού ρυθμού καθίζησης.

τυρώδη ιζήματα

Αυτά αποτελούνται από σωματίδια διαμέτρου μεταξύ 10 και 100 nm. Δεν μπορούν να διαχωριστούν με φιλτράρισμα, καθώς περνούν εύκολα από τους πόρους των περισσότερων φίλτρων. Αυτός ο τύπος ιζήματος δίνει μια θολή εμφάνιση στο διάλυμα.

ζελατινώδη ιζήματα

Όπως υποδηλώνει το όνομά του, η εμφάνιση αυτών των ιζημάτων δίνει στο διάλυμα μια ζελατινώδη υφή, σαν να ήταν μαρμελάδα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα αιωρούμενα στερεά σωματίδια είναι πολύ μικρά (η διάμετρός τους είναι μικρότερη από 10 nm) και καλύπτονται από πολλά στρώματα μορίων διαλύτη, όπως ένα πήκτωμα.

χημική καθίζηση

Ένας παρόμοιος όρος που σχετίζεται με τη χρήση των ιζημάτων στη χημεία είναι η διαδικασία της «χημικής κατακρήμνισης». Αν και μπορεί να φαίνεται περιττό, αυτός ο όρος αναφέρεται συγκεκριμένα στη χρήση αντιδράσεων καθίζησης με σκοπό την απομάκρυνση ακαθαρσιών από το νερό κατά την επεξεργασία των λυμάτων.

Στη χημική κατακρήμνιση, παράγοντες κατακρήμνισης, καθώς και κροκιδωτικά και άλλα χημικά αντιδραστήρια προστίθενται σε μεγάλες ποσότητες για την απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων όπως ο υδράργυρος και ο μόλυβδος, καθώς και άλλων σημαντικών ρύπων.

Η χημική καθίζηση είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων που πραγματοποιείται σε 4 στάδια, τα οποία είναι:

1. Προσθήκη του παράγοντα καθίζησης και ρύθμιση pH. Αυτό είναι το βήμα που μειώνει τη διαλυτότητα των ρύπων έτσι ώστε να αρχίσουν να καθιζάνουν.
2. κροκίδωση. Γενικά, μετά την προσθήκη του ιζηματοποιητή, ο ρύπος δεν κατακρημνίζεται, αλλά αντίθετα σχηματίζει ένα εναιώρημα μικρών στερεών σωματιδίων. Η κροκίδωση συνίσταται στη διαδικασία συσσωμάτωσης αυτών των μικρών σωματιδίων για να σχηματιστούν μεγαλύτερα σωματίδια που διαχωρίζονται ευκολότερα από το υπερκείμενο διάλυμα.
3. Καθίζηση. Μόλις σχηματιστούν κροκίδες ή στερεά σωματίδια επαρκώς μεγάλου μεγέθους, το νερό αφήνεται να κατακαθίσει ή να ρέει αργά για να επιτραπεί σε αυτά τα σωματίδια να καθιζάνουν στον πυθμένα, αφήνοντας το υπερκείμενο διάλυμα απαλλαγμένο από κάθε μόλυνση.
4. Διαχωρισμός στερεού-υγρού. Το τελευταίο στάδιο της διαδικασίας συνίσταται στον διαχωρισμό, συνήθως με καθίζηση, της λάσπης με το ίζημα από το καθαρισμένο νερό, το οποίο απορρίπτεται στο περιβάλλον.

Εφαρμογές κατακρημνίσεων και ιζημάτων

Η κατακρήμνιση χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε διαφορετικούς κλάδους της χημείας για διαφορετικούς σκοπούς. Η αναλυτική, η οργανική και η ανόργανη χημεία ωφελούνται κατά κάποιο τρόπο από το σχηματισμό ιζημάτων. Ας δούμε μερικά συγκεκριμένα παραδείγματα.

Τα ιζήματα στην Αναλυτική Χημεία

Στην αναλυτική χημεία, τα ιζήματα χρησιμοποιούνται τόσο στην ποιοτική όσο και στην ποσοτική ανάλυση.

Οι ποιοτικές αναλυτικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της παρουσίας ορισμένων κατιόντων και ανιόντων σε ένα δείγμα βασίζονται συχνά στον σχηματισμό ιζημάτων και στη σωστή ταυτοποίησή τους.

Για παράδειγμα, ο σχηματισμός ενός ιζήματος ενός χρώματος και όχι ενός άλλου βοηθά τους αναλυτικούς χημικούς να συμπεράνουν ποιο κατιόν υπάρχει στο δείγμα. Μερικές φορές μπορείτε ακόμη και να πείτε σε ποια κατάσταση οξείδωσης βρίσκεται το κατιόν με βάση το χρώμα και άλλες ιδιότητές του, καθώς αυτά συχνά σχηματίζουν άλατα με έντονα διαφορετικά χρώματα.

Στην ποσοτική ανάλυση , τα ιζήματα είναι εξίσου σημαντικά. Η βαρυμετρική ανάλυση βασίζεται στην ποσοτική καθίζηση μιας αναλυόμενης ουσίας από ένα διάλυμα δείγματος. Η μάζα αυτού του ιζήματος καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό με καλή ακρίβεια και ακρίβεια της ποσότητας της προαναφερθείσας αναλυόμενης ουσίας που υπήρχε στο δείγμα.

Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις στις οποίες ο σχηματισμός ενός ιζήματος σηματοδοτεί το τελικό σημείο μιας ογκομέτρησης, όπως στις ιζηματομετρήσεις.

καθιζάνει στην οργανική χημεία

Τα ιζήματα δεν είναι λιγότερο σημαντικά στην οργανική χημεία. Οι διαδικασίες οργανικής σύνθεσης πραγματοποιούνται σχεδόν πάντα σε διάλυμα και, όταν τα επιθυμητά προϊόντα είναι στερεά σε θερμοκρασία δωματίου, ανακτώνται πάντα ως ιζήματα. Επιπλέον, η διαδικασία ανακρυστάλλωσης, η οποία είναι μία από τις πιο κοινές μορφές καθαρισμού στερεών στην οργανική χημεία, βασίζεται επίσης στη διάλυση, τον καθαρισμό, την καθίζηση και την επακόλουθη διήθηση ενός ιζήματος.

Καθιζάνει στην ανόργανη χημεία

Πολλές συνθετικές διεργασίες στην ανόργανη χημεία βασίζονται επίσης στον σχηματισμό ιζημάτων. Πολλές αντιδράσεις σύνθεσης ιοντικών ενώσεων και άλλων ενώσεων συντονισμού ως σύμπλοκα άλατα συνίστανται στην καθίζηση ενός κατιόντος με τη χρήση ενός κατάλληλου ανιόντος.

Επιπλέον, οι διαδικασίες κλασματικής καθίζησης αντιπροσωπεύουν επίσης μια σημαντική μέθοδο διαχωρισμού ανιόντων και κατιόντων σε διάλυμα.

Παραδείγματα ιζημάτων

αλογονίδια αργύρου

Το ιόν αργύρου (Ι) σχηματίζει εξαιρετικά αδιάλυτα άλατα με όλα τα αλογόνα. Για το λόγο αυτό, τα AgI, AgCl και AgBr είναι παραδείγματα ιζημάτων που εμφανίζονται συνήθως στο εργαστήριο χημείας.

ανθρακικό στρόντιο

Ένας από τους τρόπους για την απομάκρυνση του στροντίου από ένα διάλυμα ή λύματα είναι να κατακρημνιστεί με τη μορφή ανθρακικού στροντίου (SrCO ₃ ) που είναι ένα εξαιρετικά αδιάλυτο άλας.

υδροξείδιο του αντιμονίου

Το αντιμόνιο καταβυθίζεται συνήθως ως υδροξείδιο του (Sb(OH) ₃ ) απλώς καθιστώντας το διάλυμα αλκαλικό. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη κάποιου διαλυτού υδροξειδίου ως παράγοντα καταβύθισης.

Τετραφαινυλοβορικό καίσιο

Τα αλκαλιμέταλλα είναι, γενικά, πολύ δύσκολο να καθιζάνουν, καθώς η συντριπτική πλειοψηφία των αλάτων τους είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες που είναι εξαιρετικά διαλυτοί στο νερό. Ωστόσο, το καίσιο μπορεί να καταβυθιστεί ως τετραφαινυλοβορικό καίσιο ((C ₆ H ₅ ) ₄ BCs).

θειούχου χαλκού

Το ιόν σουλφιδίου με τη μορφή θειούχου νατρίου ή υδρόθειου είναι ένας δημοφιλής παράγοντας καταβύθισης, καθώς σχηματίζει εξαιρετικά αδιάλυτες ενώσεις σε αλκαλικά μέσα με πολλά μέταλλα μεταπτώσεως. Ένα παράδειγμα είναι το θειούχο χαλκό(II). Αυτές οι ενώσεις μπορούν στη συνέχεια να διαλυτοποιηθούν σε ένα όξινο μέσο.

βιβλιογραφικές αναφορές

Chang, R., & Goldsby, K. (2015). Χημεία (12η ^έκδ .). Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη: Εκπαίδευση McGraw-Hill.

Skoog, DA, West, DM, Holler, J., & Crouch, SR (2021). Fundamentals of Analytical Chemistry (9η έκδοση). Βοστώνη, Μασαχουσέτη: Cengage Learning.

Striebig, BA (2005). Χημική Κατακρήμνιση. Στην Εγκυκλοπαίδεια του Νερού .

Wang, LK, Vaccari, DA, Li, Y., & Shammas, NK (2005). Χημική Κατακρήμνιση. Physicochemical Treatment Processes, 141–197.  doi:10.1385/1-59259-820-x:141