Введение

Химический процесс, приводящий к выпадению в осадок нерастворимого твердого вещества из раствора – химическое явление.

В водном растворе осаждение – это процесс превращения растворенного вещества из пересыщенного раствора в нерастворимое твердое вещество. Образующееся твердое вещество называется осадком. В случае неорганической химической реакции, приводящей к осаждению, химический реагент, вызывающий образование твердого вещества, называется осадителем. Прозрачная жидкость, остающаяся над осадком или центрифугированной твердой фазой, также называется надосадочной жидкостью или супернатантом. Понятие осаждения может также быть распространено на другие области химии (органическую химию и биохимию) и даже применяться к твердым фазам (например, в металлургии и сплавах), когда твердые примеси выделяются из твердой фазы.

Сверхнасыщенность

Осаждение соединения может происходить, когда его концентрация превышает его растворимость. Это может быть вызвано изменением температуры, испарением растворителя или смешиванием растворителей. Осаждение происходит быстрее из сильно пересыщенного раствора. Образование осадка может быть вызвано химической реакцией. При взаимодействии раствора хлорида бария с серной кислотой образуется белый осадок сульфата бария. При взаимодействии раствора йодида калия с раствором нитрата свинца(II) образуется жёлтый осадок йодида свинца(II).

Коллоидные суспензии

Без достаточных сил притяжения (например, силы Ван-дер-Ваальса) для агрегации твердых частиц и их удаления из раствора под действием силы тяжести (оседанием), они остаются во взвешенном состоянии и образуют коллоиды. Осаждение можно ускорить с помощью высокоскоростной центрифугирования. Компактная масса, полученная таким образом, иногда называется "пеллетом".

Переваривание и старение осадков

Переваривание, или преципитационное старение, происходит, когда свежеобразованный осадок оставляют, как правило при повышенной температуре, в растворе, из которого он выпадает в осадок. Это приводит к образованию более чистого и крупного перекристаллизованного материала. Физико-химический процесс, лежащий в основе переваривания, называется созреванием Оствальда.

Органическая химия

В то время как реакции осаждения могут использоваться для получения пигментов, удаления ионов из раствора при очистке воды и в классическом качественном неорганическом анализе, осаждение также широко применяется для выделения продуктов органической реакции на стадиях выделения и очистки. В идеале продукт реакции нерастворим в растворителе, используемом для проведения реакции. Таким образом, он выпадает в осадок по мере образования, предпочтительно в виде чистых кристаллов. Примером может служить синтез порфиринов в кипящем пропионовой кислоте с обратным холодильником. При охлаждении реакционной смеси до комнатной температуры кристаллы порфирина осаждаются и собираются фильтрованием на фильтре Бюхнера, как показано на фотографии рядом.

Осаждение может также происходить при добавлении антирастворителя (растворителя, в котором продукт нерастворим), что значительно снижает растворимость целевого продукта. После этого осадок можно легко отделить декантацией, фильтрованием или центрифугированием. Примером является синтез хлорида Cr3+тетрафенилпорфирина: вода добавляется к раствору в диметилформамиде (DMF), в котором протекала реакция, и продукт осаждается. Осаждение полезно для очистки многих других продуктов: например, неочищенный bmim Cl растворяют в ацетонитриле и добавляют в этилацетат, где он осаждается.

Биохимия

Очистка и разделение белков может осуществляться путем осаждения, изменяя природу растворителя или значение его относительной диэлектрической проницаемости (например, заменой воды этанолом), или повышая ионную силу раствора. Поскольку белки обладают сложными третичными и четвертичными структурами благодаря специфической укладке и различным слабым межмолекулярным взаимодействиям (например, водородным связям), эти надмолекулярные структуры могут быть изменены, а белки денатурированы и осаждены. Важным применением антирастворителя также является осаждение ДНК в этаноле.

Металлургия и сплавы

В твердой фазе осаждение происходит, если концентрация одного твердого вещества превышает предел растворимости в матрице, например, из-за быстрого охлаждения или ионной имплантации, и температура достаточно высока для того, чтобы диффузия могла привести к обогащению и образованию осадков. Осаждение в твердых телах широко используется для синтеза нанокластеров. В металлургии осаждение из твердого раствора также является способом упрочнения сплавов. Осаждение керамических фаз в металлических сплавах, таких как гидриды циркония в циркалоидной оболочке ядерных топливных стержней, может также приводить к охрупчиванию металлических сплавов и их механическому разрушению. Поэтому точное поддержание заданных температуры и давления при охлаждении отработавшего ядерного топлива имеет решающее значение для предотвращения повреждения оболочки и сохранения целостности топливных элементов в течение длительного времени при хранении в сухих контейнерах и в условиях геологического захоронения.

Промышленные процессы

Гидроксидное осаждение, вероятно, является наиболее широко используемым промышленным процессом осаждения, в котором гидроксиды металлов образуются при добавлении гидроксида кальция (гашеной извести) или гидроксида натрия (каустической соды) в качестве осадителя.

История

Порошки, полученные различными методами осаждения, исторически также назывались "цветами".