Tabla de Contenidos
Trong hóa học , quá trình kết tủa đề cập đến một phản ứng hóa học hoặc một quá trình vật lý làm giảm độ hòa tan của một chất trong dung dịch hoặc tạo thành một hợp chất không hòa tan, sau đó tạo thành chất rắn từ dung dịch quá bão hòa. Chất rắn thu được qua phản ứng kết tủa được gọi là “kết tủa” .
Tuỳ theo điều kiện kết tủa mà kết tủa tạo thành có thể là chất tinh khiết hoặc hỗn hợp các chất rắn khác nhau. Kết tủa có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực hóa học khác nhau, cũng như trong các quy trình khác, chẳng hạn như lọc nước thải. Quá trình hình thành kết tủa được giải thích dưới đây, những yếu tố ảnh hưởng đến nó và các ứng dụng quan trọng nhất của loại chất rắn này.
quá trình kết tủa
Sự hình thành kết tủa phụ thuộc vào một tính chất duy nhất của một chất: độ hòa tan của nó. Miễn là nồng độ của một chất nhỏ hơn độ hòa tan của nó trong dung môi, kết tủa không thể hình thành. Quá trình tạo kết tủa bắt đầu khi do thêm chất tạo kết tủa hoặc do thay đổi các điều kiện như nhiệt độ, dung môi mà độ tan của hợp chất giảm xuống dưới độ tan của nó.
Khi đó dung dịch sẽ ở trạng thái quá bão hòa nên chất rắn bắt đầu kết tủa cho đến khi đạt nồng độ bão hòa, từ đó thiết lập cân bằng độ tan.
Lúc đầu, hàng ngàn hạt rắn nhỏ được hình thành và ở trạng thái lơ lửng, khiến cho dung dịch có màu đục. Quá trình này được gọi là tạo mầm. Những tinh thể nhỏ này sau đó phát triển và liên kết với nhau thông qua một quá trình gọi là keo tụ; điều này xảy ra cho đến khi trọng lượng của chúng kéo chúng xuống đáy, nơi chúng ổn định.
Như có thể thấy trong hình, chất rắn tích tụ ở đáy tương ứng với kết tủa, trong khi dung dịch còn lại ở trên được gọi là phần nổi phía trên.
Sản phẩm hòa tan
Đối với các hợp chất ion, cân bằng độ tan bị chi phối bởi phản ứng hòa tan và phân ly của hợp chất và bởi hằng số cân bằng của nó, được gọi là hằng số tích số tan. Điều này thường có thể được đại diện như:
Trong phương trình hóa học này, a và b lần lượt biểu thị điện tích của cation M a+ và anion A b- , cũng như các hệ số cân bằng hóa học của A b- và M a+ . K ps đại diện cho hằng số tích số tan.
Biết nồng độ của các ion trong dung dịch, có thể dự đoán liệu có tạo thành kết tủa hay không:
- Khi tích nồng độ của các ion trong dung dịch được nâng lên hệ số cân bằng hóa học của chúng nhỏ hơn K ps , thì dung dịch chưa bão hòa và vẫn thừa nhận dung dịch của chất tan nhiều hơn. Trong trường hợp này không có kết tủa được hình thành.
- Khi nói tích đúng bằng K ps , thì dung dịch đã bão hoà . Nó không cho thêm chất tan, nhưng cũng không tạo thành kết tủa, vì hệ ở trạng thái cân bằng.
- Khi tích của các nồng độ vượt quá K ps , thì dung dịch bão hòa và tạo thành kết tủa.
Kỹ thuật tạo kết tủa
Dựa trên những điều trên, rõ ràng là có hai cách chính để tạo thành kết tủa từ dung dịch ban đầu chưa bão hòa: nồng độ của một hoặc cả hai ion liên quan được tăng lên cho đến khi dung dịch quá bão hòa hoặc giá trị của hằng số cân bằng của phản ứng. Điều này thường được thực hiện theo hai cách khác nhau:
Bổ sung các tác nhân kết tủa
Quá trình này bao gồm việc thêm vào dung dịch một hợp chất có chứa một trong hai ion của kết tủa mà chúng ta muốn tạo thành. Khi nồng độ của ion này tăng lên, dung dịch cuối cùng sẽ trở nên quá bão hòa và kết tủa mong muốn sẽ bắt đầu hình thành.
Chất được thêm vào để kích thích sự hình thành kết tủa được gọi là chất kết tủa.
độ hòa tan giảm
Một cách khác để khắc phục độ tan của hợp chất mà chúng ta muốn kết tủa là giảm độ tan của nó, nghĩa là giảm hằng số tích số tan. Điều này có thể được thực hiện theo hai cách:
- Thay đổi nhiệt độ . Vì hầu hết các chất hòa tan trở nên ít hòa tan hơn khi nhiệt độ giảm, nên việc làm mát dung dịch sẽ giúp hình thành kết tủa.
- Biến tính dung môi . Điều này bao gồm trộn từ từ dung dịch với dung môi thứ hai có thể trộn được với dung môi thứ nhất, nhưng trong đó chất tan ít hòa tan hơn. Khi tỷ lệ của dung môi thứ hai (ví dụ, có thể là rượu) tăng lên, độ hòa tan của chất tan sẽ giảm cho đến khi đạt đến độ bão hòa. Sau thời điểm đó, kết tủa sẽ hình thành.
các loại kết tủa
Tùy thuộc vào kích thước của các hạt chất rắn hình thành và tính chất lắng đọng của chúng, ba loại kết tủa được phân biệt.
kết tủa tinh thể
Chúng là những hạt được hình thành bởi các hạt rắn có hình dạng đều đặn và được xác định rõ ràng, thường có các mặt phẳng. Chúng thường có kích thước lớn hơn 100nm. Chúng thường tách ra khỏi chất lỏng nổi trên bề mặt một cách nhanh chóng do tốc độ lắng đọng cao.
pho mát kết tủa
Chúng được tạo thành từ các hạt có đường kính từ 10 đến 100nm. Chúng không thể được tách ra bằng cách lọc vì chúng dễ dàng đi qua các lỗ của hầu hết các bộ lọc. Loại kết tủa này làm cho dung dịch bị vẩn đục.
kết tủa keo
Như tên gọi của nó, sự xuất hiện của các chất kết tủa này tạo cho dung dịch có độ đặc sền sệt, như thể nó là một loại mứt. Điều này là do các hạt rắn lơ lửng rất nhỏ (đường kính của chúng nhỏ hơn 10nm) và chúng được bao phủ bởi nhiều lớp phân tử dung môi, giống như gel.
kết tủa hóa học
Một thuật ngữ tương tự liên quan đến việc sử dụng chất kết tủa trong hóa học là quá trình “kết tủa hóa học”. Mặc dù nghe có vẻ dư thừa nhưng thực ra thuật ngữ này đề cập cụ thể đến việc sử dụng các phản ứng kết tủa nhằm mục đích loại bỏ các tạp chất ra khỏi nước trong quá trình xử lý nước thải.
Trong kết tủa hóa học, các tác nhân kết tủa, cũng như chất keo tụ và các thuốc thử hóa học khác được thêm vào với số lượng lớn để loại bỏ các kim loại nặng như thủy ngân và chì, cũng như các chất gây ô nhiễm quan trọng khác.
Kết tủa hóa học là một quá trình gồm nhiều giai đoạn được thực hiện theo 4 bước, đó là:
- Bổ sung chất tạo kết tủa và điều chỉnh pH. Đây là bước làm giảm khả năng hòa tan của các chất bẩn khiến chúng bắt đầu kết tủa.
- keo tụ. Nói chung, sau khi thêm chất kết tủa, chất ô nhiễm không kết tủa mà thay vào đó tạo thành huyền phù của các hạt rắn nhỏ. Quá trình keo tụ bao gồm quá trình tập hợp các hạt nhỏ này để tạo thành các hạt lớn hơn dễ dàng tách ra khỏi dung dịch nổi phía trên.
- bồi lắng. Khi các bông cặn hoặc các hạt rắn có kích thước đủ lớn đã hình thành, nước được để lắng hoặc chảy chậm để các hạt này lắng xuống đáy, khiến dung dịch nổi phía trên không bị nhiễm bẩn.
- Tách chất lỏng rắn. Giai đoạn cuối cùng của quy trình bao gồm tách, thường bằng cách lắng, bùn với kết tủa từ nước tinh khiết, được thải ra môi trường.
Ứng dụng của kết tủa và kết tủa
Lượng mưa được sử dụng rất thường xuyên trong các ngành hóa học khác nhau cho các mục đích khác nhau. Hóa học phân tích, hữu cơ và vô cơ đều được hưởng lợi theo một cách nào đó từ sự hình thành kết tủa. Hãy xem xét một số ví dụ cụ thể.
Kết tủa trong Hóa phân tích
Trong hóa học phân tích, chất kết tủa được sử dụng trong cả phân tích định tính và định lượng.
Các quy trình phân tích định tính được sử dụng để xác định sự có mặt của một số cation và anion trong mẫu thường dựa vào sự hình thành kết tủa và nhận dạng chính xác của chúng.
Ví dụ, sự hình thành kết tủa có màu này chứ không phải màu khác giúp các nhà hóa học phân tích suy ra cation nào có trong mẫu. Đôi khi, bạn thậm chí có thể biết trạng thái oxy hóa của cation dựa trên màu sắc và các tính chất khác của nó, vì chúng thường tạo thành muối có màu sắc khác nhau rõ rệt.
Trong phân tích định lượng , kết tủa cũng quan trọng không kém. Phân tích trọng lượng dựa trên kết tủa định lượng của chất phân tích từ dung dịch mẫu. Khối lượng của kết tủa này cho phép xác định với độ chính xác và độ chính xác cao lượng chất phân tích được đề cập có trong mẫu.
Cũng có những trường hợp sự hình thành kết tủa đánh dấu điểm kết thúc của phép chuẩn độ, như trong phương pháp đo kết tủa.
kết tủa trong hóa học hữu cơ
Kết tủa không kém phần quan trọng trong hóa học hữu cơ. Các quá trình tổng hợp hữu cơ hầu như luôn được thực hiện trong dung dịch và khi các sản phẩm mong muốn ở dạng rắn ở nhiệt độ phòng, chúng luôn được thu hồi dưới dạng kết tủa. Ngoài ra, quá trình kết tinh lại, một trong những hình thức tinh chế chất rắn phổ biến nhất trong hóa học hữu cơ, cũng dựa trên quá trình hòa tan, tinh chế, kết tủa và lọc kết tủa sau đó.
Kết tủa trong hóa học vô cơ
Nhiều quá trình tổng hợp trong hóa học vô cơ cũng dựa trên sự hình thành chất kết tủa. Nhiều phản ứng để tổng hợp các hợp chất ion và các hợp chất phối hợp khác dưới dạng muối phức bao gồm sự kết tủa của một cation với việc sử dụng một anion thích hợp.
Ngoài ra, quá trình kết tủa phân đoạn cũng là một phương pháp quan trọng để tách các anion và cation trong dung dịch.
Ví dụ về kết tủa
bạc halogenua
Ion bạc(I) tạo thành muối rất khó tan với tất cả các halogen. Vì lý do này, AgI, AgCl và AgBr là những ví dụ về kết tủa thường phát sinh trong phòng thí nghiệm hóa học.
stronti cacbonat
Một trong những cách để loại bỏ stronti khỏi dung dịch hoặc nước thải là kết tủa nó ở dạng stronti cacbonat (SrCO 3 ) là một loại muối rất khó hòa tan.
antimon hydroxit
Antimon thường được kết tủa dưới dạng hydroxit của nó (Sb(OH) 3 ) đơn giản bằng cách làm cho dung dịch có tính kiềm. Điều này được thực hiện bằng cách thêm một số hydroxit hòa tan làm chất kết tủa.
Xesi Tetraphenylborat
Kim loại kiềm nói chung rất khó kết tủa vì phần lớn muối của chúng là chất điện li mạnh, tan nhiều trong nước. Tuy nhiên, xesi có thể được kết tủa dưới dạng xesi tetraphenylborat ((C 6 H 5 ) 4 BCs).
đồng sunfua
Ion sunfua ở dạng natri sunfua hoặc hydro sunfua là tác nhân kết tủa phổ biến, vì nó tạo thành các hợp chất khó hòa tan trong môi trường kiềm với nhiều kim loại chuyển tiếp. Một ví dụ là đồng(II) sunfua. Các hợp chất này sau đó có thể được hòa tan trong môi trường axit.
Người giới thiệu
Chang, R., & Goldsby, K. (2015). Hóa học ( tái bản lần thứ 12 .). New York, New York: Giáo dục McGraw-Hill.
Skoog, DA, West, DM, Holler, J., & Crouch, SR (2021). Nguyên tắc cơ bản của hóa học phân tích (tái bản lần thứ 9). Boston, Massachusetts: Cengage Learning.
Striebig, Cử nhân (2005). Kết tủa hóa học. Trong bách khoa toàn thư về nước .
Wang, LK, Vaccari, DA, Li, Y., & Shammas, NK (2005). Kết tủa hóa học. Quy trình xử lý hóa lý, 141–197. doi:10.1385/1-59259-820-x:141
