Den Bundfaldet eller kemisk udfældning er en proces, som består i dannelsen af et uopløseligt fast stof fra blandingen af to homogene opløsninger. I modsætning til nedbør af regn og sne, i denne type nedbør "regner det fast" fra væskeoverfladen.
I to homogene opløsninger opløses ioner i vand. Når disse interagerer med andre ioner (på tidspunktet for blanding) tillader deres elektrostatiske interaktion vækst af en krystal eller et gelatinøst fast stof. På grund af virkningen af tyngdekraften ender dette faste stof med på bunden af glasmaterialet.
Udfældning styres af en ionisk balance, der afhænger af mange variabler: fra koncentrationen og arten af de mellemliggende arter til vandtemperaturen og den tilladte kontakttid for det faste stof med vandet.
Derudover er ikke alle ioner i stand til at etablere denne ligevægt, eller hvad der er det samme, ikke alle kan mætte opløsningen ved meget lave koncentrationer. For at udfælde NaCl er det for eksempel nødvendigt at fordampe vandet eller tilsætte mere salt.
En mættet opløsning betyder, at den ikke kan opløses mere fast stof, så den udfælder. Det er af denne grund, at nedbør også er et klart tegn på, at opløsningen er mættet.
Udfældningsreaktion
I betragtning af en opløsning med opløste A-ioner og den anden med B-ioner, når den blandes, forudsiger den kemiske ligning af reaktionen:
A + (ac) + B - (ac) <=> AB (r)
Imidlertid er det "næsten" umuligt for A og B at være alene oprindeligt, hvilket nødvendigvis skal ledsages af andre ioner med modsatte afgifter.
I dette tilfælde danner A + en opløselig forbindelse med C - arten, og B - gør det samme med D + - arten. Således tilføjer den kemiske ligning nu den nye art:
AC (ac) + DB (ac) <=> AB (s) + DC (ac)
Art A + fortrænger arter D + for at danne solid AB; til gengæld arten C - forskyder B - for at danne det opløselige faste stof DC.
Det vil sige, der forekommer dobbeltforskydning (metathesereaktion). Så udfældningsreaktionen er en dobbelt ionfortrængningsreaktion.
For eksempel i ovenstående billede, bægeret indeholder guld krystaller af bly (II) iodid (PBI 2), et produkt fra den såkaldte "gold brusebad" reaktion:
Pb (NO 3) 2 (ac) + 2Kg (aq) => PBI 2 (s) + 2KNO 3 (aq)
I henhold til den forrige ligning er A = Pb 2+, C - = NO 3 -, D = K + og B = I -.
Dannelse af bundfaldet
Bægerets vægge viser kondenseret vand fra den intense varme. Til hvilket formål opvarmes vandet? For at bremse dannelsen processen af PBI 2 krystaller og forstærke effekten af den gyldne bruser.
Når man møder to I - anioner, danner Pb 2+ kationen en lille kerne på tre ioner, hvilket ikke er nok til at opbygge en krystal. Ligeledes samles andre ioner også i andre regioner af opløsningen for at danne kerner; Denne proces er kendt som nucleation.
Disse kerner tiltrækker andre ioner, og de vokser således til dannelse af kolloidale partikler, der er ansvarlige for opløsningens gule uklarhed.
På samme måde interagerer disse partikler med andre for at forårsage koagulater, og disse koagler med andre for endelig at stamme bundfaldet.
Når dette sker, er bundfaldet imidlertid gelatinøst med lyse antydninger af nogle krystaller "vandrende" gennem opløsningen. Dette skyldes, at nukleasionshastigheden er større end væksten af kernerne.
På den anden side afspejles den maksimale vækst af en kerne i en strålende krystal. For at garantere denne krystal skal opløsningen være svagt overmættet, hvilket opnås ved at hæve temperaturen inden udfældning.
Når opløsningen afkøles, har kernerne derfor tilstrækkelig tid til at vokse. Eftersom koncentrationen af salte ikke er særlig høj, styrer temperaturen endvidere nucleationsprocessen. Følgelig begge variabler fordel udseendet af PBI 2 krystaller.
Opløselighedsprodukt
PbI 2 opretter en ligevægt mellem det og ionerne i opløsningen:
PbI 2 (s) <=> Pb 2+ (ac) + 2I - (ac)
Konstanten af denne ligevægt kaldes opløselighedsproduktkonstanten, K ps. Udtrykket "produkt" henviser til multiplikationen af koncentrationerne af de ioner, der udgør det faste stof:
K ps = 2
Her består det faste stof af ioner udtrykt i ligningen; det betragter dog ikke det faste stof i disse beregninger.
Koncentrationerne af Pb 2+ ioner og I - ioner er lig med opløseligheden af PBI 2. Det vil sige, ved at bestemme opløseligheden af en af disse, kan den for den anden og den konstante K ps beregnes.
Hvad er K ps- værdierne for lavt vandopløselige forbindelser til? Det er et mål for graden af uopløselighed af forbindelsen ved en bestemt temperatur (25 ºC). Jo mindre K ps er, desto mere uopløselig er det.
Ved at sammenligne denne værdi med værdien af andre forbindelser kan det derfor forudsiges, hvilket par (fx AB og DC) først vil udfælde. I tilfælde af den hypotetiske forbindelse DC kan dens K ps være så høj, at den kræver højere koncentrationer af D + eller C - i opløsning for at udfælde.
Dette er nøglen til det, der kaldes fraktioneret nedbør. Ligeledes, at kende K ps for et uopløseligt salt, kan den mindste mængde til at udfælde det i en liter vand beregnes.
I tilfælde af KNO 3 er der imidlertid ingen sådan ligevægt, så den mangler K ps. Faktisk er det et meget opløseligt salt i vand.
eksempler
Udfældningsreaktioner er en af de processer, der beriger verden af kemiske reaktioner. Nogle yderligere eksempler (udover det gyldne brusebad) er:
AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO 3 (aq)
Det øverste billede illustrerer dannelsen af bundfaldet af hvidt sølvchlorid. Generelt har de fleste sølvforbindelser hvide farver.
BaCh 2 (aq) + K 2 SO 4 (aq) => BaSO 4 (s) + 2KCl (aq)
Der dannes et hvidt bundfald af bariumsulfat.
2CuSO 4 (aq) + 2NaOH (aq) => Cu 2 (OH) 2 SO 4 (s) + Na 2 SO 4 (aq)
Det blåligt bundfald af dibasisk kobber (II) sulfat dannes.
2AgNO 3 (aq) + K 2 CrO 4 (aq) => Ag 2 CrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq)
Det orange bundfald af sølvchromat former.
CaCI 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) => CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq)
Det hvide bundfald af calciumcarbonat, også kendt som kalksten, dannes.
Fe (NO 3) 3 (aq) + 3NaOH (aq) => Fe (OH) 3 (s) + 3NaNO 3 (aq)
Endelig dannes det orange bundfald af jern (III) hydroxid. På denne måde producerer nedbørreaktioner enhver forbindelse.
Referencer
- Day, R., & Underwood, A. Kvantitativ analytisk kemi (5. udg.). PEARSON Prentice Hall, s 97-103.
- Der Kreole. (6. marts 2011). Guldregn.. Hentet den 18. april 2018 fra: commons.wikimedia.org
- Anne Marie Helmenstine, ph.d. (9. april 2017). Definition af præcipitation reaktion. Hentet den 18. april 2018 fra: thoughtco.com
- le Châteliers princip: udfældningsreaktioner. Hentet den 18. april 2018 fra: digipac.ca
- Professor Botch. Kemiske reaktioner I: Net ioniske ligninger. Hentet den 18. april 2018 fra: lecturedemos.chem.umass.edu
- Luisbrudna. (8. oktober 2012). Sølvchlorid (AgCl).. Hentet den 18. april 2018 fra: commons.wikimedia.org
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemi. (8. udgave). CENGAGE Learning, s 150, 153, 776-786.