Udfældning

I en vandig opløsning er fældning eller udfældning "afsætning af et fast materiale (et bundfald) fra en flydende opløsning".^[1][2] Det faste stof, der dannes, kaldes bundfaldet (præcipitat).^[3] I tilfælde af en uorganisk kemisk reaktion, der fører til udfældning, kaldes det kemiske reagens, som forårsager dannelsen af det faste stof, for udfældningsmiddel (præcipitant).^[4]

Den væske, der forbliver oven over det udfældede eller centrifugerede faste stof, kaldes også supernatant^[5] eller supernat.

Forbindelser udfældes fra en opløsning, når deres koncentration overstiger deres opløselighed, dvs. når opløsningen er overmættet. Overmætning kan opstå som følge af temperaturændringer, fordampning af opløsningsmidlet eller ved blanding af opløsningsmidler. Udfældning sker hurtigere fra en stærkt overmættet opløsning.

Uden tilstrækkelige tiltrækningskræfter (f.eks. van der Waals-kræfter) til at aggregere de faste partikler og fjerne dem fra opløsningen ved tyngdekraft (bundfældning), forbliver de i suspension og danner kolloider. Sedimentering kan accelereres ved højhastigheds-centrifugering. Den kompakte masse, der herved opnås, kaldes undertiden et "pellet".

Fordøjelse, eller ældning af udfældningen, forekommer, når en nyligt dannet udfældning får lov at stå – som regel ved forhøjet temperatur – i den opløsning, hvorfra den er udfældet. Dette resulterer i renere og større rekrystalliserede partikler. Den fysisk-kemiske proces, der ligger til grund for fordøjelse, kaldes Ostwald-modning.^[6][7]

Dannelse af udfældninger er et centralt trin i gravimetrisk analyse, som anvendes til at identificere og kvantificere ioner. Et almindeligt eksempel på udfældning fra vandig opløsning er sølvchlorid. Når sølvnitrat (AgNO₃) tilsættes til en opløsning af kaliumchlorid (KCl), observeres udfældning af et hvidt fast stof (AgCl).^[8][9]

AgNO₃ + KCl → AgCl↓ + KNO₃

Den ioniske ligning gør det muligt at skrive denne reaktion ved at specificere de dissocierede ioner, der er til stede i vandig opløsning:

Ag⁺ + NO−3 + K⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + K⁺ + NO−3

Kalium kvantificeres ved anvendelse af hexachloroplatinsyre som udfældningsmiddel.^[10] Behandling af en opløsning, der indeholder K⁺-ioner, med et overskud af denne platinsyre giver kvantitativt kaliumhexachloroplatinat, som er let at veje og ikke-hygroskopisk:

2 K⁺ + H₂[PtCl₆] → K₂[PtCl₆] + 2 H⁺

Homogen udfældning indebærer dannelse af udfældningen fra én enkelt homogen opløsning, som i tilfældet med bariumsulfat.^[11] En prøveopløsning, der indeholder bariumioner, behandles med et overskud af sulfaminsyre. Opløsningen opvarmes for at inducere hydrolyse af sulfaminsyre til bisulfat:

2 H₂NSO₃H + 2 H₂O → 2 NH+4 + 2 HSO−4

Bisulfatet reagerer let med bariumioner og danner sulfat:

2 HSO−4 + Ba²⁺ → BaSO₄ + 2 H⁺

Hydroxidudfældning er sandsynligvis den mest udbredte industrielle udfældningsproces, hvor metalhydroxider dannes ved tilsætning af calciumhydroxid (læsket kalk) eller natriumhydroxid (kaustisk soda) som udfældningsmiddel.

Udfældning kan også forekomme, når et antisolvens (et opløsningsmiddel, hvori produktet er uopløseligt) tilsættes, hvilket sænker opløseligheden af det ønskede produkt. Herefter kan udfældningen let adskilles ved dekantering, filtrering eller centrifugering. Et eksempel er syntesen af Cr³⁺-tetraphenylporphyrinchlorid: vand tilsættes til den dimethylformamid (DMF)-opløsning, hvori reaktionen er foregået, og produktet udfældes.^[12] Udfældning er nyttig til oprensning af mange andre produkter; f.eks. opløses rå bmim-Cl i acetonitril og dryppes derefter i ethylacetat, hvor det udfældes.^[13]

Oprensning og separation af proteiner kan udføres ved udfældning ved at ændre opløsningsmidlets natur eller værdien af dets relative permittivitet (f.eks. ved at erstatte vand med ethanol), eller ved at øge opløsningens ionstyrke. Da proteiner har komplekse tertiære og kvartære strukturer som følge af deres specifikke foldning og forskellige svage intermolekylære interaktioner (f.eks. hydrogenbindinger), kan disse superstrukturer ændres, og proteinerne kan denatureres og udfældes. En anden vigtig anvendelse af et antisolvens er ethanoludfældning af DNA.

I faste faser forekommer udfældning, hvis koncentrationen af et fast stof overstiger opløselighedsgrænsen i værtsmaterialet, eksempelvis som følge af hurtig afkøling (quenching) eller ionimplantation, og hvis temperaturen er høj nok til, at diffusion kan føre til Segregering i form af udfældninger. Udfældning i faste stoffer anvendes rutinemæssigt til syntese af nanoklynger.^[14]

I metallurgi er udfældning fra en fast opløsning også en metode til at styrke legeringer.

Udfældning af keramiske faser i metalliske legeringer, såsom zirkoniumhydrider i zircaloy-kapslinger omkring nukleare brændselsstave, kan også gøre metalliske legeringer sprøde og føre til mekanisk svigt. Det er derfor afgørende at beherske de præcise temperatur- og trykforhold under afkøling af brugt nukleart brændsel for at undgå beskadigelse af kapslingen og for at bevare integriteten af de brugte brændselselementer på langt sigt i tørre lagerbeholdere og under geologiske deponeringsforhold.

• Fældningsreaktion
• Bundfald

Litteratur

• Zumdahl, Steven S. (2005). Chemical Principles (5th udgave). New York: Houghton Mifflin. ISBN 0-618-37206-7.

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Udfældning