Der Niederschlag oder die chemische Ausfällung ist ein Prozess, der in der Bildung eines unlöslichen Feststoffs aus der Mischung zweier homogener Lösungen besteht. Im Gegensatz zum Niederschlag von Regen und Schnee „regnet es bei dieser Art von Niederschlag fest“ von der Oberfläche der Flüssigkeit.
In zwei homogenen Lösungen werden Ionen in Wasser gelöst. Wenn diese mit anderen Ionen interagieren (zum Zeitpunkt des Mischens), ermöglichen ihre elektrostatischen Wechselwirkungen das Wachstum eines Kristalls oder eines gallertartigen Feststoffs. Aufgrund der Schwerkraft lagert sich dieser Feststoff auf dem Boden des Glasmaterials ab.
Die Ausfällung wird durch ein Ionengleichgewicht bestimmt, das von vielen Variablen abhängt: von der Konzentration und Art der dazwischenliegenden Spezies über die Wassertemperatur bis zur zulässigen Kontaktzeit des Feststoffs mit dem Wasser.
Darüber hinaus sind nicht alle Ionen in der Lage, dieses Gleichgewicht herzustellen, oder was gleich ist, nicht alle können die Lösung in sehr geringen Konzentrationen sättigen. Um beispielsweise NaCl auszufällen, muss das Wasser verdampft oder mehr Salz hinzugefügt werden.
Eine gesättigte Lösung bedeutet, dass sie sich nicht mehr fest auflösen kann und daher ausfällt. Aus diesem Grund ist die Ausfällung auch ein klares Zeichen dafür, dass die Lösung gesättigt ist.
Fällungsreaktion
Betrachtet man eine Lösung mit gelösten A-Ionen und die andere mit B-Ionen, so sagt die chemische Reaktionsgleichung beim Mischen voraus:
A + (ac) + B - (ac) <=> AB (s)
Es ist jedoch "fast" unmöglich, dass A und B anfänglich allein sind und notwendigerweise von anderen Ionen mit entgegengesetzten Ladungen begleitet werden müssen.
In diesem Fall bildet A + mit der C - -Spezies eine lösliche Verbindung und B - mit der D + -Spezies dasselbe . Somit fügt die chemische Gleichung nun die neue Spezies hinzu:
AC (ac) + DB (ac) <=> AB (s) + DC (ac)
Spezies A + verdrängt Spezies D + , um festes AB zu bilden; Die Spezies C - verdrängt wiederum B - und bildet den löslichen festen DC.
Das heißt, es treten doppelte Verschiebungen auf (Metathesereaktion). Die Fällungsreaktion ist also eine Doppelionenverdrängungsreaktion.
Für das Beispiel im obigen Bild enthält das Becherglas Goldkristalle von Blei (II) -iodid (PbI 2 ), einem Produkt der sogenannten " Goldduschen " -Reaktion:
Pb (NO 3 ) 2 (ac) + 2KI (aq) => PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq)
Gemäß der vorherigen Gleichung ist A = Pb 2+ , C - = NO 3 - , D = K + und B = I - .
Bildung des Niederschlags
Die Wände des Bechers zeigen kondensiertes Wasser von der intensiven Hitze. Zu welchem Zweck wird das Wasser erwärmt? Um den Bildungsprozess der PbI 2 -Kristalle zu verlangsamen und die Wirkung der goldenen Dusche hervorzuheben .
Bei der Begegnung mit zwei I - Anionen bildet das Pb 2+ -Kation einen winzigen Kern aus drei Ionen, was nicht ausreicht, um einen Kristall aufzubauen. Ebenso sammeln sich in anderen Regionen der Lösung auch andere Ionen, um Kerne zu bilden; Dieser Vorgang ist als Keimbildung bekannt.
Diese Kerne ziehen andere Ionen an und wachsen so zu kolloidalen Partikeln, die für die gelbe Trübung der Lösung verantwortlich sind.
Auf die gleiche Weise interagieren diese Partikel mit anderen, um Gerinnsel zu verursachen, und diese Gerinnsel mit anderen, um schließlich den Niederschlag zu erzeugen.
Wenn dies jedoch auftritt, ist der Niederschlag gallertartig, wobei helle Spuren einiger Kristalle durch die Lösung "wandern". Dies liegt daran, dass die Keimbildungsrate größer ist als das Wachstum der Kerne.
Andererseits spiegelt sich das maximale Wachstum eines Kerns in einem brillanten Kristall wider. Um diesen Kristall zu gewährleisten, muss die Lösung leicht übersättigt sein, was durch Erhöhen der Temperatur vor der Ausfällung erreicht wird.
Wenn die Lösung abkühlt, haben die Kerne ausreichend Zeit zum Wachsen. Da außerdem die Konzentration der Salze nicht sehr hoch ist, steuert die Temperatur den Keimbildungsprozess. Folglich kommen beide Variablen dem Auftreten von PbI 2 -Kristallen zugute .
Löslichkeitsprodukt
PbI 2 stellt ein Gleichgewicht zwischen ihm und den in Lösung befindlichen Ionen her:
PbI 2 (s) Pb 2+ (ac) + 2I - (ac)
Die Konstante dieses Gleichgewichts wird als Löslichkeitsproduktkonstante K ps bezeichnet . Der Begriff "Produkt" bezieht sich auf die Multiplikation der Konzentrationen der Ionen, aus denen der Feststoff besteht:
K ps = 2
Hier besteht der Feststoff aus den in der Gleichung ausgedrückten Ionen; Der Feststoff wird in diesen Berechnungen jedoch nicht berücksichtigt.
Die Konzentrationen von Pb 2+ -Ionen und I - -Ionen entsprechen der Löslichkeit von PbI 2 . Das heißt, durch Bestimmen der Löslichkeit von einem dieser können die des anderen und die Konstante K ps berechnet werden .
Wofür sind die K ps -Werte für schwach wasserlösliche Verbindungen? Es ist ein Maß für den Unlöslichkeitsgrad der Verbindung bei einer bestimmten Temperatur (25 ° C). Je kleiner a K ps ist , desto unlöslicher ist es.
Durch Vergleichen dieses Wertes mit denen anderer Verbindungen kann daher vorhergesagt werden, welches Paar (z. B. AB und DC) zuerst ausfällt. Im Fall der hypothetischen Verbindung DC kann ihr K ps so hoch sein, dass höhere Konzentrationen von D + oder C - in Lösung erforderlich sind, um auszufällen .
Dies ist der Schlüssel zu dem, was als fraktionierter Niederschlag bekannt ist. Ebenso kann bei Kenntnis der K ps für ein unlösliches Salz die Mindestmenge berechnet werden, um es in einem Liter Wasser auszufällen.
Im Fall von KNO 3 gibt es jedoch kein solches Gleichgewicht, so dass K ps fehlt . Tatsächlich ist es ein in Wasser gut lösliches Salz.
Beispiele
Niederschlagsreaktionen sind einer der Prozesse, die die Welt der chemischen Reaktionen bereichern. Einige zusätzliche Beispiele (neben dem goldenen Schauer) sind:
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
Das obere Bild zeigt die Bildung des weißen Silberchloridniederschlags. Im Allgemeinen haben die meisten Silberverbindungen weiße Farben.
BaCl 2 (aq) + K 2 SO 4 (aq) => BaSO 4 (s) + 2KCl (aq)
Es bildet sich ein weißer Niederschlag von Bariumsulfat.
2CuSO 4 (aq) + 2NaOH (aq) => Cu 2 (OH) 2 SO 4 (s) + Na 2 SO 4 (aq)
Der bläuliche Niederschlag von zweibasischem Kupfer (II) sulfat bildet sich.
2AgNO 3 (aq) + K 2 CrO 4 (aq) => Ag 2 CrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq)
Der orangefarbene Niederschlag von Silberchromat bildet sich.
CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) => CaCO 3 (s) + 2 NaCl (aq)
Der weiße Niederschlag von Calciumcarbonat, auch als Kalkstein bekannt, bildet sich.
Fe (NO 3 ) 3 (aq) + 3NaOH (aq) => Fe (OH) 3 (s) + 3NaNO 3 (aq)
Schließlich bildet sich der orangefarbene Niederschlag von Eisen (III) -hydroxid. Auf diese Weise erzeugen Fällungsreaktionen eine beliebige Verbindung.
Verweise
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