На утайка или химически утаяването е процес, който се състои в образуването на неразтворима твърдо вещество от смес от два хомогенни разтвори. За разлика от валежите от дъждовете и снеговете, при този вид валежи „вали твърдо“ от повърхността на течността.
В два хомогенни разтвора йони се разтварят във вода. Когато те взаимодействат с други йони (по време на смесване), техните електростатични взаимодействия позволяват растеж на кристал или желатиново твърдо вещество. Поради ефекта на гравитацията, това твърдо вещество завършва, отлагайки се на дъното на стъкления материал.
Валежите се управляват от йонен баланс, който зависи от много променливи: от концентрацията и естеството на интервенционалния вид до температурата на водата и разрешеното време за контакт на твърдото вещество с водата.
Освен това, не всички йони са способни да установят това равновесие или кое е същото, не всички могат да насищат разтвора при много ниски концентрации. Например, за утаяване на NaCl е необходимо водата да се изпари или да се добави повече сол.
Наситеният разтвор означава, че той не може да се разтвори повече, така че се утаява. Поради тази причина валежите също са ясен знак, че разтворът е наситен.
Реакция на валежи
Като се има предвид разтвор с разтворени А йони и другия с В йони, когато се смеси, химичното уравнение на реакцията предвижда:
A + (ac) + B - (ac) <=> AB (s)
Въпреки това, "почти" е невъзможно А и В да бъдат сами първоначално, като задължително трябва да бъдат придружени от други йони с противоположни заряди.
В този случай A + образува разтворимо съединение със C - видове, а B - прави същото с D + вида. Така химичното уравнение сега добавя новите видове:
AC (ac) + DB (ac) <=> AB (s) + DC (ac)
Вид A + измества видове D +, за да образува твърдо AB; от своя страна вид C - измества В - за да образува разтворимия твърд постоянен ток.
Тоест възникват двойни измествания (реакция на метатезата). Така че реакцията на утаяване е реакция на изместване на двойни йони.
Например в горното изображение, стъклената чаша съдържа златни кристали от олово (II) йодид (PbI 2), продукт на така наречената реакция на "златен душ":
Pb (NO 3) 2 (ac) + 2KI (aq) => PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq)
Според предишното уравнение A = Pb 2+, C - = NO 3 -, D = K + и B = I -.
Образуване на утайката
Стените на чашата показват кондензирана вода от силната топлина. С каква цел се нагрява водата? За да забави процеса на образуване на кристалите PbI 2 и да подчертае ефекта на златния душ.
При среща с два I - аниона, катионът Pb 2+ образува мъничко ядро от три йона, което не е достатъчно за изграждането на кристал. По същия начин, в други региони на разтвора други йони също се събират, за да образуват ядра; Този процес е известен като нуклеация.
Тези ядра привличат други йони и по този начин тя расте, образувайки колоидни частици, отговорни за жълтата мътност на разтвора.
По същия начин тези частици взаимодействат с другите, за да причинят съсиреци, и тези съсиреци с други, за да се образуват най-накрая утайката.
Когато това се случи, утайката е желатинова, с ярки намеци на някои кристали, „скитащи“ през разтвора. Това е така, защото скоростта на нуклеиране е по-голяма от растежа на ядрата.
От друга страна, максималният растеж на ядро се отразява в блестящ кристал. За да се гарантира този кристал, разтворът трябва да бъде леко пренаситен, което се постига чрез повишаване на температурата преди утаяване.
По този начин, докато разтворът се охлади, ядрата имат достатъчно време да растат. Освен това, тъй като концентрацията на солите не е много висока, температурата контролира процеса на нуклеиране. Следователно, двете променливи възползват появата на PBI 2 кристали.
Продукт на разтворимост
PbI 2 установява равновесие между него и йони в разтвор:
PbI 2 (s) <=> Pb 2+ (ac) + 2I - (ac)
Константата на това равновесие се нарича постоянна продукт на разтворимост, K ps. Терминът "продукт" се отнася до умножаването на концентрациите на йони, съставляващи твърдото вещество:
K ps = 2
Тук твърдото вещество се състои от йони, изразени в уравнението; въпреки това той не отчита твърдото в тези изчисления.
Концентрациите на йони Pb 2+ и I - йони са равни на разтворимостта на PbI 2. Тоест, чрез определяне на разтворимостта на едното, това на другото и константата K ps може да се изчисли.
За какво са стойности K ps за нискоразтворими във вода съединения? Това е мярка за степента на неразтворимост на съединението при определена температура (25ºC). По този начин, колкото по-малък е K ps, толкова по-неразтворим е той.
Следователно, сравнявайки тази стойност с тази на други съединения, може да се предвиди коя двойка (например, AB и DC) ще се утаи първо. В случая на хипотетичното съединение DC неговият K ps може да бъде толкова висок, че да се изискват по-високи концентрации на D + или C - в разтвор за утаяване.
Това е ключът към това, което е известно като дробни валежи. По същия начин, знаейки K ps за неразтворима сол, може да се изчисли минималното количество за утаяването му в един литър вода.
В случай на KNO 3 обаче няма такова равновесие, така че му липсва K ps. Всъщност това е силно разтворима сол във вода.
Примери
Реакциите на валежите са един от процесите, които обогатяват света на химичните реакции. Някои допълнителни примери (освен златния душ) са:
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
Горното изображение илюстрира образуването на утайка от бял сребърен хлорид. По принцип повечето сребърни съединения имат бели цветове.
BaCl 2 (aq) + K 2 SO 4 (aq) => BaSO 4 (s) + 2KCl (aq)
Образува се бяла утайка от бариев сулфат.
2CuSO 4 (aq) + 2NaOH (aq) => Cu 2 (OH) 2 SO 4 (s) + Na 2 SO 4 (aq)
Синкавата утайка от двуосновен меден (II) сулфат се образува.
2AgNO 3 (aq) + K 2 CrO 4 (aq) => Ag 2 CrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq)
Оранжевата утайка от сребърен хромат се образува.
CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) => CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq)
Образува се бялата утайка от калциев карбонат, известен още като варовик.
Fe (NO 3) 3 (aq) + 3NaOH (aq) => Fe (OH) 3 (s) + 3NaNO 3 (aq)
Накрая се образува оранжевата утайка на железен (III) хидроксид. По този начин реакциите на утаяване произвеждат всяко съединение.
Препратки
- Day, R., & Underwood, A. Количествена аналитична химия (5-то изд.). Зала PEARSON Prentice, стр. 97-103.
- Der Kreole. (6 март 2011 г.). Златен дъжд., Произведено на 18 април 2018 г. от: commons.wikimedia.org
- Ан Мари Хелменстин, доктор на науките (9 април 2017 г.). Определение за реакция на валежи. Произведено на 18 април 2018 г. от: thinkco.com
- Принципът на le Châtelier: Реакции на валежи. Произведено на 18 април 2018 г. от: digipac.ca
- Проф. Ботч. Химични реакции I: Нетни йонни уравнения. Произведено на 18 април 2018 г. от: le predaemos.chem.umass.edu
- Luisbrudna. (8 октомври 2012 г.). Сребърен хлорид (AgCl)., Произведено на 18 април 2018 г. от: commons.wikimedia.org
- Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, p 150, 153, 776-786.