Fældningsreaktioner
Reaktionstyper
Hvad er fældningsreaktioner?
En fældningsreaktion er at lave en udfasning af fast stof fra en væske. Dette kan så gøres mere eller mindre elegant og kontrolleret.
I den almindelige undervisning viser man kun den klassiske reaktion mellem sølv- og chloridioner, som også kommer her i næste afsnit, og så kommer anvendeligheden ikke længere end lidt beregninger af opløselighed og opløselighedsprodukter. Opløselighed og opløselighedsprodukter er bestemt vigtigt og af stor industriel betydning, det er bare ikke det eneste man bruger fældningsreaktioner til.
I den almindelige undervisning viser man kun den klassiske reaktion mellem sølv- og chloridioner, som også kommer her i næste afsnit, og så kommer anvendeligheden ikke længere end lidt beregninger af opløselighed og opløselighedsprodukter. Opløselighed og opløselighedsprodukter er bestemt vigtigt og af stor industriel betydning, det er bare ikke det eneste man bruger fældningsreaktioner til.
Blanding af ioner
Den klassiske måde at se fældninger på, er to vandige opløsninger af salte. Når de to opløsninger blandes, dannes et bundfald. Favoriteksemplet der vises i kemiundervisningen er NaCl og AgNO3, der begge er let opløselige i vand:
NaCl(s)
Na+(aq) + Cl−(aq)
AgNO3(s) Ag+(aq) + NO3−(aq)
Hvis de to opløsninger blandes:
Na+(aq) + Cl−(aq) + Ag+(aq) + NO3−(aq) AgCl(s) + Na+(aq) + NO3−(aq)
AgCl er tungt opløseligt og fælder ud som et hvidt bundfald. Som det ses, deltager natrium- og nitrationerne ikke i reaktionen, og behøver ikke blive taget med i reaktionsskemaet. Det er tilstrækkeligt at skrive
Ag+(aq) + Cl−(aq) AgCl(s)
Dette er en model, og ikke helt korrekt. Der er stadig lidt Ag+ og Cl− i opløsningen og der er også noget AgCl(aq) til stede i opløsningen. I virkeligheden er der også tale om en ligevægt, ikke en irreversibel proces, som ser således ud:
Ag+(aq) + Cl−(aq)
AgCl(aq) AgCl(s)
Grunden til at det er i orden at skrive reaktionen på den simple måde er, at mængden af opløst AgCl, Ag+ og Cl− er negliciblet og vi fokuserer på fældningen. Så snart man skal til at regne på opløselighedsprodukter og flere reaktioner der griber ind i hinanden, vil man bruge reaktionsskemaet med ligevægtene.
Fældninger kommer af at visse enheder, i dette tilfælde ioner, har en høj affinitet for hinanden, og ved kontakt forbliver de bundet til hinanden og danner en forbindelse der er uopløselig i det pågældende opløsninsmiddel. I den klassiske kemi til undervisningsbrug er fældninger forbundet med ioner i vandig opløsning, men det er vigtigt at huske, at fældningsreaktioner er mere end dette.
Nedenstående tabel viser nogle kombinationer af ioner der opløselige og uopløselige. MEN, fældning er ikke et enten/eller-fænomen, så ved lave koncentrationer af ioner kan bundfaldet udeblive og tilstrækkeligt høje koncentrationer kan medføre udfældninger, selv for salte der betragtes som opløselige.
En vigtig ting ved fældninger, som let kan overses er, at fældninger kan hænde kun at ske i et begrænset koncentrationsinterval, f.eks. fældning af Zn2+ med OH−:
Start:
Zn2+(aq) + 2 OH−(aq) Zn(OH)2(s)
Ved overskud af OH−:
Zn(OH)2(s) + 2 OH−(aq) [Zn(OH)4]2−(aq)
Man kan derfor ikke bare ukritisk blande to sæt ioner og ud fra dette konkludere om man har en fældningsreaktion eller noget andet (i dette tilfælde en kompleksdannelse).
NaCl(s)
Na+(aq) + Cl−(aq)AgNO3(s)
Ag+(aq) + NO3−(aq)Hvis de to opløsninger blandes:
Na+(aq) + Cl−(aq) + Ag+(aq) + NO3−(aq)
AgCl(s) + Na+(aq) + NO3−(aq)AgCl er tungt opløseligt og fælder ud som et hvidt bundfald. Som det ses, deltager natrium- og nitrationerne ikke i reaktionen, og behøver ikke blive taget med i reaktionsskemaet. Det er tilstrækkeligt at skrive
Ag+(aq) + Cl−(aq)
AgCl(s)Dette er en model, og ikke helt korrekt. Der er stadig lidt Ag+ og Cl− i opløsningen og der er også noget AgCl(aq) til stede i opløsningen. I virkeligheden er der også tale om en ligevægt, ikke en irreversibel proces, som ser således ud:
Ag+(aq) + Cl−(aq)
AgCl(aq) AgCl(s)Grunden til at det er i orden at skrive reaktionen på den simple måde er, at mængden af opløst AgCl, Ag+ og Cl− er negliciblet og vi fokuserer på fældningen. Så snart man skal til at regne på opløselighedsprodukter og flere reaktioner der griber ind i hinanden, vil man bruge reaktionsskemaet med ligevægtene.
Fældninger kommer af at visse enheder, i dette tilfælde ioner, har en høj affinitet for hinanden, og ved kontakt forbliver de bundet til hinanden og danner en forbindelse der er uopløselig i det pågældende opløsninsmiddel. I den klassiske kemi til undervisningsbrug er fældninger forbundet med ioner i vandig opløsning, men det er vigtigt at huske, at fældningsreaktioner er mere end dette.
Nedenstående tabel viser nogle kombinationer af ioner der opløselige og uopløselige. MEN, fældning er ikke et enten/eller-fænomen, så ved lave koncentrationer af ioner kan bundfaldet udeblive og tilstrækkeligt høje koncentrationer kan medføre udfældninger, selv for salte der betragtes som opløselige.
| Negativ ion | Positiv ion | Opløselighed |
| Alle | Li+, Na+, K+, NH4+ | Opløselig |
| NO3− (nitrat) CH3COO− (acetat) | Alle | Opløselig |
| Cl− (chlorid) Br− (bromid) I− (iodid) | Ag+, Pb2+, Hg22+, Cu+ | Uopløselig eller næsten uopløselig |
| Alle andre | Opløselig | |
| SO42− (sulfat) | Ag+, Ca2+, Ba2+, Pb2+ | Uopløselig eller næsten uopløselig |
| Alle andre | Opløselig | |
| S2− (sulfid) | Li+, Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ | Opløselig |
| Alle andre | Uopløselig eller næsten uopløselig | |
| OH− (hydroxid) | Li+, Na+, K+, NH4+, Sr2+, Ba2+ | Opløselig |
| Alle andre | Uopløselig eller næsten uopløselig | |
| CO32− (carbonat) PO43− (phosphate) | Li+, Na+, K+, NH4+ | Opløselig |
| Alle andre | Uopløselig eller næsten uopløselig |
En vigtig ting ved fældninger, som let kan overses er, at fældninger kan hænde kun at ske i et begrænset koncentrationsinterval, f.eks. fældning af Zn2+ med OH−:
Start:
Zn2+(aq) + 2 OH−(aq)
Zn(OH)2(s)Ved overskud af OH−:
Zn(OH)2(s) + 2 OH−(aq)
[Zn(OH)4]2−(aq)Man kan derfor ikke bare ukritisk blande to sæt ioner og ud fra dette konkludere om man har en fældningsreaktion eller noget andet (i dette tilfælde en kompleksdannelse).
Fjernelse af solventet
En anden måde at få en fældning på, er ved at fjerne solventet. At fjerne solventet er den fældningsmetode folk ikke ved de kender. Det klassiske forsøg i undervisningen er opløsningen af kobber(II)sulfat (pentahydratet CuSO4 · 5 H2O, i gamle dage også kaldet blåsten). Ved henstand fordamper vandet og i takt med at vandet fordamper, begynder kobber(II)sulfaten at fælde ud som store krystaller, når man rammer grænsen for hvor meget kobber(II)sulfat der kan være i opløsningen.
Denne metode bruges både lavteknologisk f.eks. i saltsyderier, hvor man producerer havsalt ved inddampning af havvand, og højteknologisk ved krystallisering af makromolekyler til røntgenkrystallografi (en type analysekemi som gør at man kan se store molekylerns 3D-struktur).
Denne metode bruges både lavteknologisk f.eks. i saltsyderier, hvor man producerer havsalt ved inddampning af havvand, og højteknologisk ved krystallisering af makromolekyler til røntgenkrystallografi (en type analysekemi som gør at man kan se store molekylerns 3D-struktur).
Ændring af solventets egenskaber
Alternativet til at fjerne solventet er at ændre solventets egenskaber. Det kan være noget så simpelt som at ændre temperaturen. For de fleste kemiske forbindelser stiger opløseligheden med temperaturen, og omvendt, så ved at sænke temperaturen kan man få nogle kemiske forbindelser til at fælde ud.
Ændring af pH eller ionstyrke er også relativt almindelige metoder til at lave fældninger. Polymeren poly(HEMA) er opløselig i vand, men uopløselig i saltvand, hvis koncentrationen er høj nok. Fældning ved tilsætning af salte kaldes almindeligvis udsaltning.
Ændring af solventets hydrofile/hydrofobe egenskaber er endnu en mulighed. Zinksulfat kan fremstilles ved at tilsætte en svag opløsning af svovlsyre til metallisk zink. Resultatet er en vandig opløsning af zinksulfat. Zinksulfat er uopløselig i ethanol, så ved at tilsætte mere og mere ethanol til opløsningen, bliver solventet mere og mere som ethanol og zinksulfatet fælder ud.
Ændring af pH eller ionstyrke er også relativt almindelige metoder til at lave fældninger. Polymeren poly(HEMA) er opløselig i vand, men uopløselig i saltvand, hvis koncentrationen er høj nok. Fældning ved tilsætning af salte kaldes almindeligvis udsaltning.
Ændring af solventets hydrofile/hydrofobe egenskaber er endnu en mulighed. Zinksulfat kan fremstilles ved at tilsætte en svag opløsning af svovlsyre til metallisk zink. Resultatet er en vandig opløsning af zinksulfat. Zinksulfat er uopløselig i ethanol, så ved at tilsætte mere og mere ethanol til opløsningen, bliver solventet mere og mere som ethanol og zinksulfatet fælder ud.