การตกตะกอนทางเคมีคืออะไร?

Tabla de Contenidos

ในวิชาเคมีกระบวนการตกตะกอนหมายถึงปฏิกิริยาทางเคมีหรือกระบวนการทางกายภาพที่ทำให้ความสามารถในการละลายของสารในสารละลายลดลงหรือเกิดสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำขึ้น หลังจากนั้น ของแข็งจะก่อตัวขึ้นจากสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด ของแข็งที่ได้มาจากปฏิกิริยาการตกตะกอนเรียกว่า “การตกตะกอน “

ขึ้นอยู่กับสภาพฝน ตะกอนที่เกิดขึ้นอาจเป็นสารบริสุทธิ์หรือของผสมของของแข็งต่างๆ การตกตะกอนมีการใช้งานหลายอย่างในด้านต่างๆ ของเคมี เช่นเดียวกับในกระบวนการอื่นๆ เช่น การทำให้น้ำเสียบริสุทธิ์ ต่อไปจะอธิบายขั้นตอนการก่อตัวของการตกตะกอน ปัจจัยใดที่ส่งผลต่อการตกตะกอน และการใช้งานที่สำคัญที่สุดของของแข็งประเภทนี้

กระบวนการเกิดฝน

การก่อตัวของตะกอนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเดียวของสาร: ความสามารถในการละลาย ตราบใดที่ความเข้มข้นของสารน้อยกว่าความสามารถในการละลายในตัวทำละลาย ตะกอนจะไม่สามารถก่อตัวได้ กระบวนการสร้างตะกอนเริ่มต้นเมื่อเนื่องจากการเติมสารตกตะกอนหรือการเปลี่ยนแปลงในสภาวะ เช่น อุณหภูมิหรือตัวทำละลาย ความสามารถในการละลายของสารประกอบลดลงต่ำกว่าความสามารถในการละลายได้

เมื่อถึงจุดนั้น สารละลายจะอยู่ในสถานะของความอิ่มตัวยิ่งยวด ดังนั้น ของแข็งจะเริ่มตกตะกอนจนกระทั่งถึงความเข้มข้นอิ่มตัว จึงสร้างสมดุลการละลายได้

ในตอนแรกอนุภาคของแข็งขนาดเล็กนับพันก่อตัวขึ้นและยังคงแขวนลอยอยู่ ทำให้สารละลายมีลักษณะเป็นเมฆมาก กระบวนการนี้เรียกว่านิวเคลียส จากนั้นผลึกเล็กๆ เหล่านี้จะเติบโตและยึดเกาะกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการตกตะกอน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นจนกว่าน้ำหนักของพวกเขาจะลากพวกเขาไปที่ด้านล่างซึ่งพวกเขาตั้งถิ่นฐาน

ดังที่เห็นในรูป ของแข็งที่สะสมอยู่ด้านล่างจะตรงกับตะกอน ส่วนสารละลายที่อยู่ด้านบนเรียกว่าส่วนเหนือตะกอน

ผลิตภัณฑ์ความสามารถในการละลาย

สำหรับสารประกอบไอออนิกสภาวะสมดุลของการละลายถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาการละลายและปฏิกิริยาการแตกตัวของสารประกอบและโดยค่าคงที่สมดุลของสารนั้น ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ของผลิตภัณฑ์ที่สามารถละลายได้ โดยทั่วไปสามารถแสดงเป็น:

ปฏิกิริยาการตกตะกอน การก่อตัวและการละลายของตะกอน

ในสมการเคมี นี้ aและbเป็นตัวแทนของประจุบวกของไอออนบวก M ^a+และแอนไอออน A ^b-ตามลำดับ เช่นเดียวกับค่าสัมประสิทธิ์สัมพันธ์สัมพันธ์ของ A b- ^และ M ^a + K _psแสดงถึงค่าคงที่ของผลิตภัณฑ์ที่สามารถละลายได้

เมื่อทราบความเข้มข้นของไอออนในสารละลายแล้ว จะสามารถคาดการณ์ได้ว่าจะเกิดตะกอนหรือไม่:

เมื่อผลคูณของความเข้มข้นของไอออนในสารละลายที่ยกขึ้นเป็นค่าสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์น้อยกว่า K _psสารละลายนั้นจะไม่อิ่มตัวและยังคงยอมรับการละลายของตัวถูกละลายที่มากกว่า ในกรณีนี้จะไม่มีการตกตะกอน
เมื่อผลคูณดังกล่าวเท่ากับ K _psดังนั้นสารละลายจะอิ่มตัว มันไม่ยอมรับตัวถูกละลายมากกว่า แต่ไม่มีการตกตะกอนเกิดขึ้น เนื่องจากระบบอยู่ในสภาวะสมดุล
เมื่อผลิตภัณฑ์ที่มีความเข้มข้นเกิน K _psสารละลายจะอิ่มตัวและเกิดการตกตะกอน

เทคนิคการสร้างตะกอน

จากข้อมูลข้างต้น เป็นที่ชัดเจนว่ามีสองวิธีหลักในการสร้างตะกอนจากสารละลายที่ไม่อิ่มตัวในขั้นต้น: ความเข้มข้นของไอออนหนึ่งหรือทั้งสองที่เกี่ยวข้องจะเพิ่มขึ้นจนกว่าสารละลายจะอิ่มตัวมาก หรือค่าของค่าคงที่สมดุล ของปฏิกิริยา ซึ่งมักจะทำได้ในสองวิธีที่แตกต่างกัน:

การเติมสารตกตะกอน

กระบวนการนี้ประกอบด้วยการเพิ่มสารประกอบที่มีหนึ่งในสองไอออนของการตกตะกอนที่เราต้องการก่อตัวลงในสารละลาย เมื่อความเข้มข้นของไอออนนี้เพิ่มขึ้น สารละลายจะกลายเป็นสารอิ่มตัวยิ่งยวดในที่สุด และจะเริ่มก่อตัวเป็นตะกอนที่ต้องการ

สารที่เติมเพื่อกระตุ้นการก่อตัวของตะกอนเรียกว่าสารตกตะกอน

ความสามารถในการละลายลดลง

อีกวิธีหนึ่งในการเอาชนะความสามารถในการละลายของสารประกอบที่เราต้องการทำให้ตกตะกอนคือการลดความสามารถในการละลาย ซึ่งหมายถึงการลดค่าคงที่ของผลิตภัณฑ์ที่สามารถละลายได้ สามารถทำได้สองวิธี:

การ เปลี่ยนอุณหภูมิ เนื่องจากตัวถูกละลายส่วนใหญ่จะละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิลดลง การทำให้สารละลายเย็นลงจะช่วยให้เกิดการตกตะกอน
การปรับเปลี่ยนตัวทำละลาย ประกอบด้วยการผสมสารละลายอย่างช้าๆ กับตัวทำละลายตัวที่สองที่สามารถผสมกับตัวละลายตัวแรกได้ แต่ตัวถูกละลายจะละลายได้น้อยกว่า เมื่อเศษส่วนของตัวทำละลายตัวที่สอง (ซึ่งอาจเป็นแอลกอฮอล์) เพิ่มขึ้น ความสามารถในการละลายของตัวถูกละลายจะลดลงจนกว่าจะถึงจุดอิ่มตัว หลังจากนั้นจะเกิดตะกอน

ประเภทของตะกอน

ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคของของแข็งที่ก่อตัวขึ้นและคุณสมบัติการตกตะกอน ตะกอนมีสามประเภทที่แตกต่างกัน

ผลึกตกตะกอน

อนุภาคเหล่านี้เกิดจากอนุภาคของแข็งที่มีรูปร่างสม่ำเสมอและชัดเจน โดยทั่วไปมีหน้าเรียบ มักมีขนาดมากกว่า 100 นาโนเมตร สิ่งเหล่านี้มักจะแยกออกจากของเหลวส่วนเกินอย่างรวดเร็วเนื่องจากมีอัตราการตกตะกอนสูง

วิเศษตกตะกอน

สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 10 ถึง 100 นาโนเมตร ไม่สามารถแยกออกได้โดยการกรอง เนื่องจากผ่านรูพรุนของตัวกรองส่วนใหญ่ได้ง่าย การตกตะกอนประเภทนี้ทำให้สารละลายมีลักษณะเป็นเมฆมาก

ตกตะกอนเป็นวุ้น

ตามชื่อที่ระบุ การปรากฏตัวของตะกอนเหล่านี้ทำให้สารละลายมีความสม่ำเสมอคล้ายวุ้นราวกับว่ามันเป็นแยม เนื่องจากอนุภาคของแข็งแขวนลอยมีขนาดเล็กมาก (เส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 10 นาโนเมตร) และถูกปกคลุมด้วยโมเลกุลของตัวทำละลายหลายชั้น เช่น เจล

การตกตะกอนทางเคมี

คำที่คล้ายกันที่เกี่ยวข้องกับการใช้ตะกอนในทางเคมีคือกระบวนการของ “การตกตะกอนทางเคมี” แม้ว่าอาจดูซ้ำซาก แต่คำนี้หมายถึงการใช้ปฏิกิริยาการตกตะกอนโดยเฉพาะเพื่อจุดประสงค์ในการกำจัดสิ่งเจือปนออกจากน้ำในระหว่างการบำบัดน้ำเสีย

การใช้ตะกอน: การตกตะกอนด้วยสารเคมีและการบำบัดน้ำเสีย

ในการตกตะกอนด้วยสารเคมี สารตกตะกอน สารตกตะกอน และสารรีเอเจนต์ทางเคมีอื่นๆ จะถูกเติมในปริมาณมากเพื่อกำจัดโลหะหนัก เช่น ปรอทและตะกั่ว ตลอดจนสารปนเปื้อนที่สำคัญอื่นๆ

การตกตะกอนทางเคมีเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่ดำเนินการใน 4 ขั้นตอน ได้แก่

การเติมสารตกตะกอนและการปรับค่า pH นี่คือขั้นตอนที่ลดความสามารถในการละลายของสารปนเปื้อนเพื่อให้เริ่มตกตะกอน
การตกตะกอน โดยทั่วไป หลังจากเติมสารตกตะกอน สารมลพิษจะไม่ตกตะกอน แต่จะก่อตัวเป็นอนุภาคของแข็งขนาดเล็กแขวนลอยอยู่แทน การตกตะกอนประกอบด้วยกระบวนการรวมตัวของอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้เพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ที่แยกออกจากสารละลายส่วนเกินได้ง่ายกว่า
การตกตะกอน เมื่อเกิดตะกอนหรืออนุภาคของแข็งขนาดใหญ่พอแล้ว น้ำจะถูกปล่อยให้จับตัวเป็นก้อนหรือไหลช้าๆ เพื่อให้อนุภาคเหล่านี้ตกลงสู่ด้านล่าง ปล่อยให้สารละลายส่วนเกินปราศจากการปนเปื้อนทั้งหมด
การแยกของแข็งและของเหลว ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการประกอบด้วยการแยก โดยปกติโดยการตกตะกอน โคลนที่มีตะกอนจากน้ำบริสุทธิ์ ซึ่งถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม

การประยุกต์ใช้ฝนและตกตะกอน

การตกตะกอนถูกใช้บ่อยมากในสาขาวิชาเคมีต่างๆ เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน เคมีเชิงวิเคราะห์ เคมีอินทรีย์ และอนินทรีย์ล้วนได้รับประโยชน์ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งจากการก่อตัวของตะกอน ลองดูตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจง

ตกตะกอนในเคมีวิเคราะห์

ในเคมีวิเคราะห์ ตะกอนจะใช้ในการวิเคราะห์ทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ

กระบวนการวิเคราะห์เชิงคุณภาพที่ใช้ในการระบุการมีอยู่ของไอออนบวกและประจุลบในตัวอย่างมักจะอาศัยการก่อตัวของตะกอนและการระบุที่ถูกต้อง

ตัวอย่างเช่น การก่อตัวของตะกอนสีหนึ่งและไม่ใช่อีกสีหนึ่งช่วยให้นักเคมีวิเคราะห์อนุมานได้ว่ามีไอออนบวกชนิดใดอยู่ในตัวอย่าง บางครั้งคุณสามารถบอกได้ว่า แคตไอออนอยู่ใน สถานะออกซิเดชัน ใด โดยพิจารณาจากสีและคุณสมบัติอื่นๆ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้มักจะก่อตัวเป็นเกลือที่มีสีแตกต่างกันอย่างชัดเจน

ในการวิเคราะห์เชิงปริมาณตะกอนมีความสำคัญเท่าเทียมกัน การวิเคราะห์แบบกราวิเมตริกขึ้นอยู่กับการตกตะกอนเชิงปริมาณของสารที่วิเคราะห์จากสารละลายตัวอย่าง มวลของตะกอนนี้ทำให้สามารถระบุปริมาณของสารวิเคราะห์ที่กล่าวถึงซึ่งมีอยู่ในตัวอย่างได้อย่างแม่นยำและแม่นยำ

นอกจากนี้ยังมีกรณีที่การก่อตัวของตะกอนเป็นจุดสิ้นสุดของการไตเตรท เช่นเดียวกับการวัดปริมาณน้ำฝน

ตกตะกอนในเคมีอินทรีย์

ตะกอนมีความสำคัญไม่น้อยในเคมีอินทรีย์ กระบวนการสังเคราะห์สารอินทรีย์มักจะดำเนินการในสารละลาย และเมื่อผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องพวกมันจะถูกนำกลับมาเป็นตะกอนเสมอ นอกจากนี้ กระบวนการตกผลึกซ้ำ ซึ่งเป็นหนึ่งในรูปแบบทั่วไปของการทำให้ของแข็งบริสุทธิ์ในเคมีอินทรีย์ ยังขึ้นอยู่กับการละลาย การทำให้บริสุทธิ์ การตกตะกอน และการกรองที่ตามมาของตะกอน

ตกตะกอนในเคมีอนินทรีย์

กระบวนการสังเคราะห์หลายอย่างในเคมีอนินทรีย์ยังขึ้นอยู่กับการก่อตัวของตะกอน ปฏิกิริยาการสังเคราะห์จำนวนมากของสารประกอบไอออนิกและสารประกอบโคออร์ดิเนชันอื่นๆ ในรูปของเกลือเชิงซ้อนประกอบด้วยการตกตะกอนของไอออนบวกด้วยการใช้แอนไอออนที่เหมาะสม

นอกจากนี้ กระบวนการตกตะกอนแบบเศษส่วนยังเป็นวิธีการสำคัญในการแยกไอออนและไอออนบวกในสารละลาย

ตัวอย่างของการตกตะกอน

ไลด์สีเงิน

ไอออนเงิน (I) ก่อตัวเป็นเกลือที่ไม่ละลายน้ำสูงกับฮาโลเจนทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ AgI, AgCl และ AgBr จึงเป็นตัวอย่างของการตกตะกอนที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปในห้องปฏิบัติการเคมี

สตรอนเทียมคาร์บอเนต

วิธีหนึ่งในการกำจัดสตรอนเชียมออกจากสารละลายหรือน้ำเสียคือการทำให้ตกตะกอนในรูปของสตรอนเชียมคาร์บอเนต (SrCO ₃ ) ซึ่งเป็นเกลือที่ไม่ละลายน้ำสูง

พลวงไฮดรอกไซด์

พลวงมักจะตกตะกอนในรูปของไฮดรอกไซด์ (Sb(OH) ₃ ) โดยการทำให้สารละลายเป็นด่าง สิ่งนี้ทำได้โดยการเติมไฮดรอกไซด์ที่ละลายน้ำได้เป็นสารตกตะกอน

ซีเซียม เตตระฟีนิลบอเรต

โดยทั่วไปแล้ว โลหะอัลคาไลจะตกตะกอนได้ยากมาก เนื่องจากเกลือส่วนใหญ่ของโลหะเหล่านี้เป็นอิเล็กโทรไลต์เข้มข้นที่ละลายน้ำได้สูง อย่างไรก็ตาม ซีเซียมสามารถตกตะกอนเป็นซีเซียมเตตระฟีนิลบอเรต ((C ₆ H ₅ ) ₄ BCs)

คอปเปอร์ซัลไฟด์

ไอออนซัลไฟด์ในรูปของโซเดียมซัลไฟด์หรือไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นสารตกตะกอนที่ได้รับความนิยม เนื่องจากมันก่อตัวเป็นสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำสูงในตัวกลางที่เป็นด่างซึ่งมีโลหะทรานซิชันจำนวนมาก ตัวอย่างคือคอปเปอร์(II) ซัลไฟด์ สารประกอบเหล่านี้สามารถละลายได้ในภายหลังในตัวกลางที่เป็นกรด

อ้างอิง

Chang, R., & Goldsby, K. (2015). เคมี ( ^ฉบับ ที่ 12 ) นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: McGraw-Hill Education.

Skoog, DA, West, DM, Holler, J., & Crouch, SR (2021) ความรู้พื้นฐานเคมีวิเคราะห์ (พิมพ์ครั้งที่ 9). บอสตัน แมสซาชูเซตส์: Cengage Learning

Striebig บริติชแอร์เวย์ (2548) การตกตะกอนทางเคมี ในสารานุกรมน้ำ .

Wang, LK, Vaccari, DA, Li, Y., & Shammas, NK (2005) การตกตะกอนทางเคมี กระบวนการบำบัดทางเคมีกายภาพ, 141–197. ดอย:10.1385/1-59259-820-x:141