Zrážacie reakcie

Rozpustnosť látky v danom rozpúšťadle je obmedzená a každá zlúčenina má svoju maximálnu koncentráciu, pri ktorej môže zostať úplne rozpustená. Keď sa v roztoku nachádzajú vhodné ióny v dostatočnej koncentrácii, môžu vytvoriť zlúčeninu, ktorá je nerozpustná alebo len veľmi málo rozpustná. Ak sa prekročí hranica jej rozpustnosti, začne sa látka vylučovať vo forme zrazeniny. Táto zrazenina je tuhá látka, ktorá sa vylúči z roztoku, pretože sa už ďalej nedokáže rozpustiť.

Zrážacie reakcie, nazývané aj vylučovacie reakcie, sú chemické reakcie, pri ktorých z roztoku vzniká málo rozpustný produkt vo forme zrazeniny.

Zrážacia reakcia teda môže prebehnúť iba vtedy, ak sú v roztoku dostatočne vysoké koncentrácie príslušných iónov, ktoré tvoria málo rozpustnú zlúčeninu. Tento jav súvisí so súčinom rozpustnosti \( (K_{sp}) \) (sp = solubility product), ktorý určuje, či dané množstvo látky zostane rozpustené, alebo sa začne vylučovať ako pevná fáza.

Podobne, ako je to v mnohých iných prípadoch, kde vystupujú produkty a reaktanty, medzi rozpustenými iónmi a vyzrážanou tuhou látkou sa ustáli rovnováha, popísaná nasledujúcou rovnicou:

\( A_xB_y (s) \rightleftharpoons xA^{n+} (aq) + yB^{m-} (aq) \)

Je to dynamická rovnováha, čo znamená, že časť zrazeniny sa môže opäť rozpúšťať, ale zároveň sa znova vylučuje.

• Príklad: Reakcia síranu sodného a chloridu bárnatého vedie k vzniku málo rozpustného bieleho síranu bárnatého:
  \( \text{Ba}^{2+} (aq) + \text{SO}_4^{2-} (aq) \rightarrow \text{BaSO}_4 (s) \)
  
  
• Príklad: Reakcia katiónov vápnika s uhličitanovými aniónmi sa často vyzráža v podobe vodného kameňa uhličitanu vápenatého:
  \( \text{Ca}^{2+} (aq) + \text{CO}_3^{2-} (aq) \rightleftharpoons \text{CaCO}_3 (s) \)
  
  
• Príklad: Reakcia jodidu draselného s dusičnanom olovnatým za vzniku jasne žltej zrazeniny jodidu olovnatého:
  \( \text{Pb}^{2+} (aq) + 2\text{I}^{-} (aq) \rightarrow \text{PbI}_2 (s) \)

V chemických rovniciach možno vznik zrazeniny označiť aj alternatívne — šípkou \( \downarrow \) smerujúcou nadol za vzorcom látky. Tento zápis vizuálne zdôrazňuje usadzovanie tuhej fázy z roztoku a používa sa najmä vtedy, keď je cieľom upozorniť na vznik zrazeniny namiesto klasického označenia skupenstva \( (s) \).

Typickým príkladom takejto zrážacej reakcie je reakcia uhličitanu draselného s hydroxidom vápenatým, pri ktorej vzniká rozpustný hydroxid draselný a nerozpustný uhličitan vápenatý:

\( \text{K}_2\text{CO}_3 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow 2\text{KOH} + \text{CaCO}_3 \downarrow \)

Súčin rozpustnosti link

Na predpovedanie zrážania zlúčenín sa používa súčin rozpustnosti (\( K_{sp} \)), ktorý vyjadruje rovnovážny stav medzi rozpustenými iónmi a pevnou fázou:

\( K_{sp} = [A^{n+}]^x [B^{m-}]^y \)

Kde:

• K_{sp} – súčin rozpustnosti danej zlúčeniny (rovnovážna konštanta).
• A^{n+} – katión (kladne nabitý ión) vznikajúci pri rozpúšťaní látky.
• B^{m-} – anión (záporne nabitý ión) vznikajúci pri rozpúšťaní látky.
• x – stechiometrický koeficient katiónu A^{n+} v rovnici.
• y – stechiometrický koeficient aniónu B^{m-} v rovnici.
• [A^{n+}] – rovnovážna koncentrácia katiónu v mol/dm³.
• [B^{m-}] – rovnovážna koncentrácia aniónu v mol/dm³.

Pričom platí, že:

• Čím nižší je súčin rozpustnosti, tým menej rozpustná je daná zlúčenina.
• Ak súčin koncentrácií iónov v roztoku prekročí hodnotu \( K_{sp} \), zlúčenina sa začne vyzrážať.
• Rozpustnosť závisí od faktorov, ako sú teplota, koncentrácia iónov v roztoku a prítomnosť ďalších látok.
• Stechiometria rovnovážnej reakcie rozpúšťania je kľúčová pre správne zostavenie výrazu pre súčin rozpustnosti.

Príklad:

Predpokladajme, že máme málo rozpustnú soľ, fluorid vápenatý (CaF₂). Jeho rozpúšťanie vo vode prebieha podľa rovnovážnej reakcie:

\text{CaF}_2 (s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} (aq) + 2\text{F}^- (aq)

Koncentrácia vápenatých iónov (Ca²⁺) v nasýtenom roztoku pri určitej teplote je 3,3 × 10⁻⁴ mol/dm³.

1. Výraz pre súčin rozpustnosti

Pre fluorid vápenatý platí:

K_{sp} = [\text{Ca}^{2+}] [\text{F}^-]^2

2. Výpočet koncentrácie fluoridových iónov

Zo stechiometrie reakcie vyplýva, že na každý rozpustený ión Ca²⁺ pripadajú dva ióny F⁻. Preto:

\begin{aligned} [\text{F}^-] &= 2 \times [\text{Ca}^{2+}] \\ &= 2 \times (3{,}3 \times 10^{-4}) \\ &= 6{,}6 \times 10^{-4} \text{ mol/dm}^3 \end{aligned}

3. Výpočet hodnoty súčinu rozpustnosti

Dosadíme vypočítané hodnoty do rovnice pre \( K_{sp} \):

\begin{aligned} K_s &= [\text{Ca}^{2+}] [\text{F}^-]^2 \\ &= (3{,}3 \times 10^{-4}) \times (6{,}6 \times 10^{-4})^2 \\ &= (3{,}3 \times 10^{-4}) \times (4{,}356 \times 10^{-7}) \\ &= 1{,}43748 \times 10^{-10} \end{aligned}

4. Aké jednotky má súčin rozpustnosti?

• Každá koncentrácia sa vyjadruje v mol/dm³ (alebo M, molarita).
• Keďže K_{sp} je súčin koncentrácií umocnený na ich stechiometrické koeficienty, výsledná jednotka sa mení podľa toho, koľko iónov sa uvoľní.
• Pre K_{sp} = [\text{Ca}^{2+}] [\text{F}^-]^2 platí:

K_{sp} = (\text{mol/dm}^3) \times (\text{mol/dm}^3)^2 = \text{mol}^3/\text{dm}^9

Hodnota súčinu rozpustnosti K_{sp} pre fluorid vápenatý pri danej teplote je približne 1,4 × 10⁻¹⁰ mol³/dm⁹.

Faktory ovplyvňujúce zrážacie reakcie link

• Koncentrácia iónov: Čím vyššia je koncentrácia iónov v roztoku, tým je pravdepodobnejšie, že dôjde k vyzrážaniu.
• pH roztoku: Mnohé zrážacie reakcie závisia od pH. Napríklad rozpustnosť hydroxidov kovov sa mení v závislosti od kyslosti alebo zásaditosti prostredia.
• Teplota: Vo väčšine prípadov vyššia teplota zvyšuje rozpustnosť, ale existujú výnimky.
• Prítomnosť komplexotvorných látok: Niektoré ióny môžu vytvárať komplexy, čím sa zabráni vyzrážaniu (napr. Ag⁺ s NH₃).

Postup pri zrážacích reakciách link

Aby bola zrážacia reakcia úspešná a výsledná zrazenina použiteľná na ďalšie analýzy, je potrebné dodržiavať správne postupy:

• Zriedenie vzorky: Vzorka sa často riedi, aby sa predišlo nesprávnemu vyzrážaniu alebo tvorbe príliš jemných častíc.
• Úprava pH: Pre niektoré reakcie je nutné upraviť pH tak, aby sa dosiahli vhodné podmienky pre zrážanie.
• Správny spôsob zrážania: Látky sa pridávajú pomaly za miešania, aby sa získala dobre filtrovaná zrazenina.
• Premývanie zrazeniny: Po vyzrážaní sa zrazenina často premýva, aby sa odstránili nečistoty.

Po vyzrážaní môže byť zrazenina kontaminovaná vedľajšími iónmi, ktoré sa na ňu adsorbovali. Preto sa často vykonáva premývanie, pri ktorom sa odstránia nežiadúce látky:

• Destilovaná voda: Používa sa najčastejšie, ale môže mierne rozpúšťať aj samotnú zrazeninu.
• Roztok so spoločným iónom: Používa sa na minimalizovanie rozpustnosti zrazeniny, čím sa zabráni jej stratám pri premývaní.

Využitie zrážacích reakcií link

Zrážacie reakcie majú široké využitie v rôznych oblastiach chémie a priemyslu:

• Analytická chémia: Používajú sa na dôkaz prítomnosti konkrétnych iónov v roztokoch.
• Úprava vody: Zrážacie reakcie sa využívajú na odstránenie škodlivých iónov z pitnej vody a priemyselných odpadov.
• Farmaceutický priemysel: Niektoré liečivá sa vyrábajú metódou vyzrážania účinných látok.
• Výroba pigmentov: Napríklad pri výrobe niektorých farbív sa využíva vyzrážanie pigmentových častíc.