《沉淀分离法》课件.ppt

第一章沉淀分离法 precipitation 第一节概述第二节结晶共沉淀第三节吸附共沉淀第四节结晶动力学第五节沉淀分离法在放射化学中的应用 主要内容 要求 熟悉共沉淀过程中的一些基本术语 载体 反载体 体积分配 包藏 表面分配和回收率等 2 掌握结晶共沉淀中微量组分在固液间的分配服从的分配定律 均匀或非均匀分配 3 熟悉吸附共沉淀 包括双电层理论和吸附原理 4 掌握结晶共沉淀的分类及其各类的特点 5 了解沉淀分离法在放射化学中的应用 第一节概述 一 定义沉淀分离法是利用沉淀反应有选择地沉淀某些离子 而其它离子则留于溶液中从而达到分离的目的 它发生的必要条件是溶液体系对某些离子是饱和的 二 沉淀分离法分类沉淀法主要包括 沉淀分离法和共沉淀分离法 两种方法的区别主要是 沉淀分离法主要使用于常量组分的分离 毫克数量级以上或一般 0 01mol L 而共沉淀分离法主要使用于痕量组分的分离和富集 小于1mg mL 三 共沉淀现象及其分类 1 共沉淀现象当沉淀从溶液中析出时 溶液中的某些原本可溶的组分被沉淀载带而混杂于沉淀中 这种现象称为共沉淀现象 共沉淀现象常使沉淀被污染 是重量分析中误差的主要来源 但是 正是利用共沉淀剂对某些微痕量组分的定量沉淀能力 产生了在分离和富集上有广泛应用的共沉淀分离法 2 共沉淀现象的分类 按其机理的不同可分为 结晶共沉淀和吸附共沉淀结晶共沉淀 微量物质的离子 分子或小的晶格单位取代沉淀物晶格上的常量物质 并进入到晶格内部而从液相转移到固相的一种现象 选择性比较高 吸附共沉淀 微量物质吸附在常量物质沉淀表面而从溶液相转移到固相的一种现象 选择性不高 例1 在含微量镭溶液中加入常量的可溶性钡盐和沉淀剂硫酸 就会生成BaSO4 RaSO4共沉淀 其中镭分布在整个BaSO4晶格内部 并取代了BaSO4晶格中钡的位置 这就是BaSO4 RaSO4结晶共沉淀 2 在含微量钍的水溶液中加入常量的可溶性铁盐和沉淀剂NH4OH 会生成红棕色Fe OH 3絮状沉淀 这时溶液中的Th4 就会吸附在Fe OH 3絮状沉淀的表面 但在Fe OH 3絮状沉淀内部并不存在Th4 这就是吸附共沉淀 3 吸附共沉淀和结晶共沉淀的比较 选择性好易于过滤和洗涤需满足一定条件才可用 半径相似等 选择性差过滤和洗涤都较困难沉淀颗粒小 比表面大 分离富集效率高应用广泛 四 共沉淀分离法 1 定义共沉淀分离法是加入某种离子与沉淀剂生成沉淀 加入的某种离子作为载体 将痕量组分定量地沉淀下来 然后将沉淀分离 溶解在少量溶剂中 灼烧等方法 以达到分离和富集的目的的一种分析方法 2 共沉淀剂要求及分类 1 沉淀剂要求 要求对欲富集的痕量组分回收率高 要求共沉淀剂不干扰待富集组分的测定 2 共沉淀剂要求及分类 1 沉淀剂要求 要求对欲富集的痕量组分回收率高 要求共沉淀剂不干扰待富集组分的测定 2 沉淀剂按使用载体类型不同分 无机共沉淀剂 有机共沉淀剂 1 氢氧化物沉淀 如 Fe OH 3 Al OH 3 MnO OH 2等 主要利用表面吸附作用使痕量金属离子共沉淀 2 硫化物沉淀 如 PbS HgS等 共沉淀是除吸附 吸留作用3 某些晶形沉淀 如 BaSO4 SrSO4 SrCO3等 可与生成相似晶格的离子形成混晶 如BaSO4 RaSO4 BaSO4 PbSO4等 而共沉淀 一 无机共沉淀剂 2 沉淀剂按使用载体类型不同分 无机共沉淀剂 有机共沉淀剂 二 有机沉淀剂 有些载体的共沉淀效果类似于萃取且不与共存离子反应 叫做惰性共沉淀剂 固体萃取剂 其沉淀效果好 固体萃取 例 在酸化的海水中加入甲基紫和NH4SCN 可定量沉淀低至0 2微克的铀 有机共沉淀剂的显著优点 1 试剂品种多 性质各异 试剂的选择性很高 便于选用 2 沉淀的溶解度一般很小 有利于被测物质沉淀完全 3 沉淀吸附无机杂质较小少 且沉淀易于过滤 洗涤 4 沉淀的摩尔质量大 被测组分在称量形式中占的百分比小有利提高分析的准确度 5 有些沉淀组成恒定 经烘干后即可称量 简化了重量分析操作 Pd2 离子附着在CaCO3沉淀的表面 形成共沉淀 CO32 3 共沉淀过程示意图 五 共沉淀分离法的历史及优势 一种古老的分离方法 居里夫妇发现镭时就采取了共沉淀分离法中的分级结晶技术 从几吨的矿渣中提取了十分之一克的纯氯化镭 为放射化学发展作出了巨大贡献 后来出现了许多更优秀的分离方法 如萃取 离子交换法等 但是由于方法简便 实验条件易于满足 共沉淀分离法在微量元素或放射性核素分析中仍应用广泛 镭的发现 一 概念由于处于微量和低浓度状态下的放射性物质的使用 使得实验操作很困难 会带来非正常实验误差 因此常加入非放射性物质 载体和反载体来克服之 载体 反载体 体积分配 表面分配 回收率 富集因素 第二节结晶共沉淀 1 载体 Carrier 沉淀微量组分时 往往需要加入某常量组分 当常量组分沉淀时 微量组分也一起被沉淀下来 加入的常量组分起着载带微量组分的作用 因此称为载体 若二者同位素关系 则称为同位素载体否则称为非同位素载体 例如Ca2 及草酸沉淀剂可使45Ca2 沉淀析出 226Ra2 会随Ba2 与SO42 形成Ba Ra SO4沉淀 Ba为Ra2 非同位素载体 良好的选择性定量性 能定量沉淀微痕量物质不干扰测定 或者至少易被除去或掩蔽 便于与母液分离 易洗涤和过滤共沉淀效率高 选择载体应具有以下特点 2 反载体 或抑制载体 Anticarrier 在共沉淀分离体系中 除了欲分离的放射性核素外 往往同时存在着多种其它放射性杂质核素 为了减少分离过程中这些杂质对欲分离核素的污染 除了必须加入要分离核素的载体外 还必须加入这些放射性杂质核素的稳定同位素或化学类似物 以稀释放射性杂质 从而大大减小这些放射性杂质被沉淀载带的几率 即起了反载带的作用 因此把这类稳定同位素或化学类似物为反载体 体积分配当常量组分沉淀时 被载带下来的微量组分分布在常量组分晶体内部的分配 被称为体积分配 4 表面分配当常量组分沉淀时 被载带下来的微量组分分布在常量组分晶体表面的分配被称为表面分配 5 6 7 包藏 吸留或包埋 沉淀速度过快 表面吸附的杂质来不及离开沉淀表面就被随后沉积下来的沉淀所覆盖 包埋在沉淀内部 这是一种因吸附而留在沉淀内部的共沉淀现象 减少或消除方法 包藏是在结晶内部 不能用洗涤方法除去 可通过陈化或重结晶的方法予以减少 8 后沉淀 继沉淀 现象溶液中被测组分析出沉淀之后在与母液放置过程中 溶液中其它本来难以析出沉淀的组分 杂质离子 在该沉淀表面继续沉积的现象注 后沉淀经加热 放置后会更加严重消除方法 缩短沉淀与母液的共置时间 二 结晶共沉淀的分类1 同晶2 同二晶3 新类型混晶 1 同晶 微量物质和常量物质形成同一晶体而被沉淀下来 形成同晶共沉淀的条件 彼此的化学性质相似 彼此的化学构型相同 彼此的结晶结构十分相似 同晶共沉淀的特点 微量组分和常量组分没有混合的上限和下限 同晶共沉淀不受沉淀条件 如酸度 试剂加入的次序 温度等 的限制 同晶共沉淀生成之后 无论怎样进行洗涤也不会改变其组成 常用于晶格相似 离子半径大小相近的载体和微量组分 例如 共沉淀Pb时沉淀剂的选用 SrSO4orBaSO4 二价Pb 二价Sr 二价Ba的半径分别为1 32A1 27A1 43A 二价Sr和二价Pb的半径更为接近 故选用SrSO4有利 2 同二晶 又叫强制同晶共沉淀微量组分与常量组分是化学类似物 并具有相同的化学构型 但它们稳定的结晶结构不相同时 在一定的条件下 微量组分能够形成一种暂时的结晶结构 以适应常量组分结晶结构的要求 来生成真正的混晶共沉淀 同二晶的特点 微量组分不能超过一定的比例 即有上限 形成同二晶共沉淀过程会受沉淀条件如酸度 温度 微量组分和常量组分的浓度比值等因素的影响 Fe Mn是第四周期相邻两个元素 彼此化学性质相似 FeSO4 MnSO4是化学类似物 并有相同的化学构型 但t8 6oC时 MnSO4形成MnSO4 5H2O三斜晶系的结晶 在20oC水溶液中时 它们的结晶结构是不相同的 当FeSO4过量时 生成单斜晶系的FeSO4 7H2O MnSO4 7H2O同二晶共沉淀当MnSO4过量时 生成三斜晶系的MnSO4 5H2O FeSO4 5H2O同二晶共沉淀 例题 3 新类型混晶有些化学性质并不相似的化合物 只要它们的化学构型和结构类型相同 晶格参数相近 也能形成混晶 这种混晶称为新类型混晶 如 NaNO3 CaCO3 PbSO4 KClO4形成条件 具有相同的化学构型 但不是化学类似物 晶格类型相似或相同 在相应的晶体结构中 离子间的距离相近 彼此不大于5 特点 微量组分存在一定下限 不能太少 微量组分不是以离子状态而是以分子或小的晶格单位进入晶体的 三 微量组分在固液间的分配 一 均匀分配 homogeneousdistribution 如果整个晶体和溶液间建立了平衡 则微量组分在固 液相间呈均匀分配 又称体积分配 与常量组分形成同晶或同二晶共沉淀的微量放射性物质 在常量物质结晶中的分布是均匀的 即在晶体内外层中放射性物质的分布没有浓度差别 这种分布称作均匀分配 1 均匀分配条件 晶体和溶液之间达到真正的热力学平衡 结晶过程中温度 压力不变 在结晶过程中组分不发生变化 微量组分的化学状态在两相中是相同的 2 实现均匀分配的条件 缓慢沉淀 并连续长时间搅拌 使体系最终达到热力学平衡 用均匀沉淀法得到的沉淀 颗粒较大 表面吸附杂质少 易过滤 易洗 用均匀沉淀法 甚至可以得到晶形的Fe2O3 nH2O Al2O3 nH2O等水合氧化物沉淀 4 讨论 当D 1时 微量组分在晶体中得到富集 浓缩 当D 1时 微量组分在溶液中得到富集 浓缩 当D 1时 微量组分和常量组分的比值在两相中相同 3 均匀分配的数学表达式 可用线性分配定律来表达 或 a b 微量组分和常量组分在固液两相中的总量x y 微量组分和常量组分在晶体 固相 中的量D 结晶系数 5 应用 草酸盐沉淀的生成 NH4 2C2O4 Ca2 CaC2O4 中性或碱性 得到细小形状的沉淀 不易过滤 假如将溶液酸化 草酸根主要以HC2O4 和H2C2O4存在 不会将Ca2 沉淀 加入尿素加水煮沸时 pH的升高使C2O42 缓慢的生成 便得到颗粒粗大的草酸钙沉淀 NH2 2CO 3H2O CO2 2NH4 2OH 二 非均匀分配 heterogeneousdistribution 1 定义大多数沉淀结晶过程 晶体和溶液之间并未达到热力学平衡 若在晶体生长过程中 当第一基元层形成后 便开始第二基元层的形成 由于每个基元层很薄 可以认为每个基元层与周围的溶液达到平衡 积分 得 2 非均匀分配的数学表达式 基元层 3 讨论 1 微量组分在晶体中富集 整个晶体从中心到表面微量组分的相对含量越来越少 1 微量组分在溶液中得到富集 微量组分从中心到表面的相对含量越来越大 1 均匀分配 实现非均匀分配的条件 若改变实验条件 使沉淀迅速形成 并在沉淀析出后立即过滤 微量组分析出百分数 此图说明什么问题 从图可说明以下两个问题 只要结晶系数足够大 部分常量组分的析出可载带绝大部分的微量组分 同样的结晶系数 对数分布时的浓集效果要比均匀分布时大 当常量物质以很快的速度从溶液中结晶时 与它形成同晶或同二晶共沉淀的微量放射性物质在常量物质晶体中的分配服从对数分配规律 称作对数分配 也称非均匀分配 但就每一个晶体基元层来说 放射性核素在常量物质晶体和溶液之间的分配是服从均匀分配定律的 因此 在常量物质晶体的内层和外层 放射性物质的浓度是不一样的 形成一种 洋葱 型的晶体 注意 四 重结晶和分级结晶 1 重结晶 在第一次结晶以后 经固液分离 尾液弃去 结晶固体重新溶解溶液后 在同样条件下再次结晶沉淀 以此类推 这种结晶 溶解 再结晶的过程叫多次结晶 优点 经多次结晶 提高微量组分和常量组分之间的分离效率缺点 微量组分损失量大一些 2 分级结晶 每次结晶后含有微量组分的尾液蒸发后重新结晶 其操作流程类似于分液漏斗模拟的逆流萃取 优点及缺点 由于对每次结晶后尾液进行了利用 从避免了微量组分的损失 3 两种技术的流程示意图 多次结晶中微量组分和常量组分的变化 a b x y表示第一次结晶时微量组分和常量组分进入结晶固相中的百分数 a b分别表示它们在原始溶液中的总量 则在n次结晶后 沉淀中的微量组分和常量组分的量各相当于初始量的xn和yn 三级分级结晶流程示意图 a b分别表示它们在原始溶液中的总量 则在n次结晶后 沉淀中的微量组分和常量组分的量各相当于初始量的xn和yn x y表示第一次结晶时微量组分和常量组分进入结晶固相中的百分数 例题 在BaBr2 RaBr2 H2O体系中 如果自饱和溶液中十分迅速结晶时 满足非均分配公式 如果自饱和溶液缓慢中结晶 满足于均匀分配公式 假如结晶系数和分配系数相等 且等于10 试计算在上述两种情况下 当BaBr2从溶液中结晶出一半时 RaBr2结晶出来百分之几 如果重复上述操作十次 得到的晶体中 BaBr2和RaBr2各占原始量的百分之几 解 1 自过饱和溶液中迅速结晶时 满足非均匀分配的数学表达式 当 10 y b 2时 当重复10次时 99 9 10 99 0 RaBr2 0 5 10 1 1024 BaBr2 2 自过饱和溶液中缓慢结晶时 满足均匀分配的数学表达式 当重复10次时 90 9 10 38 5 RaBr2 0 5 10 1 1024 BaBr2 当D 10 y b 2时 则 a 90 9 第三节吸附共沉淀 吸附共沉淀由于沉淀或结晶表面对其它溶质的吸附造成的共沉淀 吸附共沉淀能力的强弱 与载体沉淀的组成 形成方式 表面带电性质有关 还与被吸附物质本身性质及外界电解质有关 根据常量组分沉淀性质的不同 吸附共沉淀分为 在离子晶体上的吸附共沉淀 在无定形沉淀上的吸附共沉淀 一 微量物质在离子晶体表面上的吸附 1 双电层概念 离子晶体在溶液中形成的双电层 离子晶体在溶液中形成的双电层示意图 吸附层 吸附在沉淀表面的过量的构晶离子组成吸附层 抗衡离子 吸附层外面吸引的异电荷离子叫抗衡离子 扩散层 抗衡离子组成扩散层 双电层 吸附层和扩散层电荷相反电量相等 共同组成包围沉淀颗粒表面的双电层 2 以AgI为例 不同条件下溶液中Ag 和I 在AgI表面的吸附能力不同 由于晶体表面表现出某种离子略有过剩的现象 例 当KI过量时 胶团的结构表示式为 当AgNO3过量时 胶团的结构表示式为 a I 过量情况 向溶液中加入KI AgI表面的双电层结构 过剩离子在晶体表面形成带电层 晶体的表面过剩的离子 电位形成离子 I 双电内层 由电中性 相反符号离子过剩 补偿离子K 双电外层 晶体 Ag I I Ag I Ag I Ag Ag I Ag I Ag I I Ag b Ag 过量情况 加入AgNO3 AgI表面的双电层结构 2 吸附的分类 一级电位形成的吸附 一级交换吸附 二级交换吸附 一级电位形成的吸附 组成晶体的离子自溶液转移晶体表面的过程 一级交换吸附 晶体表面的离子与溶液中的同种离子 或同晶离子 在不断地进行交换 使溶液中的同种离子或同晶离子转移表面上来 这种过程称一级交换吸附 如 Ca2 与Sr2 Ba2 上面这两种交换都发生在双电层的内层 而且在离子吸附的同时 被吸附离子的水合层丢失 可将其看成是结晶共沉淀现象的一种特殊 因此它亦服从微量物质在固液相间均匀分配定律 由均匀分配定律得 2 18 NS NS 微量组分与常量组分在晶体表面的分子数 NL NL 微量组分与常量组分在溶液中的摩尔数 D 分配系数 结晶系数 也可用百分数表示 2 19 x 微量组分在晶体表面的百分数1 x 微量组分在溶液中的百分数x 1 x 吸附系数mS 晶体的质量S 晶体的比表面积 1g晶体的表面积 1mol离子占据的表面积c 常量组分在溶液中的浓度 VL 溶液的体积 一级交换吸附的特点 只有与常量组分同晶或同二晶的物质才能被吸附 晶体表面电荷对吸附没有影响 但晶体比表面积正比于晶体吸附系数 当S一定时 x 1 x 反比于c x 1 x 正比于D 微量物质的溶解度愈小 x 1 x 愈大 晶体的比表面 晶体的比表面愈大 一级交换吸附的量就愈多 晶体本身离子的浓度 当溶液中晶体本身离子以及放射性核素的稳定同位素离子或同晶离子浓度增加时 放射性核素的离子就会被稀释 因而一级交换吸附的量也就减小 放射性核素离子的浓度 溶液中放射性核离子的浓度增加 其一级交换吸附的量也增加 但当浓度增加到一定限度时 会达到一级交换吸附的饱和状态 此时浓度再增加 其一级交换吸附的量不再增加 影响一级交换吸附的因素 它的形成依赖于静电引力 因而溶液中所有与晶体表面电荷相反的离子都可以被吸附 被吸附离子不进入晶体的晶格 而只是留在紧挨着晶体表面的液层中 同时还保持着自己的水合层 双电层外层的抵偿离子也可以与溶液中具有同种电荷的离子发生交换 使这些离子从溶液中转移到双电层的外层 此过程称为二级交换吸附 如CaSO4表面荷负电时 就可与Th4 UO22 进行二级交换吸附 二级交换吸附 发生在双电外层 所有与双电内层电荷符号相反的离子都有可能被吸附 从静电的角度可知 价态高的离子更容易被吸附 2 20 2 21 22 S 吸附剂的总表面积Zi 被吸附i离子的电荷数Ei 吸附功 将i离子从双电层的外层移到无穷远处所做的功V 溶液体积k 玻耳兹曼常数F 法拉第常数T 绝对温度C 双电层的电容Ai 常数ci i离子在溶液中的浓度ki i离子交换反应的速度常数 影响二级交换吸附的因素 被吸附离子的电荷新制备带负电的AgI表面对Ra2 Ac3 Th4 的吸附情况 离子的电荷数愈多 静电引力就愈强 其二级交换吸附能力愈强 被吸附离子的溶解度溶解度愈小 x 1 x 愈大 越容易被吸附 晶体本身离子浓度当晶体本身离子浓度 时 双电层内层的电位形成离子便会有所 内层的电荷量也 由于静电引力的作用 这就必然导致外层被吸附离子量的增加 Langmuir和Freundlich吸附等温式 a Langmuir吸附等温式Langmuir等温线有两个假设 固体表面所有吸附位是相同且均匀分布的 吸附位的吸附和解吸自由能 活化能不随覆盖率分数的变化而变化 表面吸附为单层吸附 当吸附剂表面只有一种表面吸附位 而且溶液中只有一种吸附质时 2 23 N 平衡时 单位晶体表面积吸附微量物质的量 N 平衡时 单位晶体表面积吸附微量物质的饱和吸附量 b 常数 微量物质在溶液中的浓度 若 很小 1 bc 1 N N bc Kc 2 2 Langmuir表达式 通过作图C Q C 我们可求出K Qm Langmuir吸附等温式 2 2 N 微量组分在晶体表面被吸附的量 吸附平衡时 微量物质在溶液中的浓度 一定条件下为常数 b Freundlich方程最初是一个经验公式 描述表面不均一或表面位吸附粒子后产生相互作用的表面吸附行为 1 玻璃上的吸附一般化学操作中 由于玻璃器皿吸附所造成的损失 对实验结果不会有显著的影响 但以低浓度为特点的放射化学操作 器皿吸附而造成放射性元素的大量损失 会给实验带来很的大的误差 不同的放射性元素被玻璃吸附的能力不同 而同一种元素在不同条件下被吸附能力亦不同 在不同pH条件下 放射性元素在玻璃上被吸附的情况大致有下列情况 二 微量组分在其他物质表面的吸附 与玻璃的型号 种类 处理方式等有关 溶液酸度的影响 在强酸介质中 吸附小 以Tl Ra2 为代表 不易水解的放射性核素 随pH x 1 x 符合lgS A BpHA B 常数S 吸附量 因它们的化合物在pH改变过程中不发生水解 因而吸附量的改变是由于在溶液中能与放射性元素相竞争的H 浓度改变所致 玻璃对易发生水解的放射性核素的吸附量随pH 而出现最大值 如高价元素 Tl3 Ru4 Zr4 U4 它们最大值所对应的pH及其构成的吸附曲线的形态各不相同 这是由于各种元素形成的水解条件与程度各不相同而造成的 玻璃对以阴离子状态存在的元素的吸附是范德华力引起的 因此吸附量很低 防止玻璃的吸附 对玻璃进行予处理 用增水剂 硅烷 使玻璃表面被一层硅烷薄膜包住 常用硅烷有二甲基二氯硅烷 甲基三氯硅烷 提高溶液酸度 减少吸附 解吸阳离子 加入稳定同位素作反载体 将放射性同位素进行稀释 NaH232PO4加入31PO4 微量物质在无定形沉淀 活性炭 滤纸上的吸附 无定形沉淀 离子交换吸附 可以发生在双电内层 也可以发生在双电外层 后者居多 即二级交换吸附起主要作用 以Zn OH 2的交换吸附为例 它有两种解离方式 在酸性介质中 在碱性介质中 在二级交换吸附过程中 放射性核素在溶液中所带的电荷必须与双电层内层电荷符号相反 方可吸附 且电荷数愈多 吸附率愈高 在酸性介质有阴离子交换的性质 在碱性介质有阳离子交换的性质 化学吸附 有些实验结果表明 放射性核素在氢氧化物或氧化物上的吸附是由于它们在沉淀表面上形成了表面化合物的缘故 如 MnO2吸附二价金属离子 Zn2 结果在MnO2表面上 锌与锰形成了六圆环螯合物而被吸附还有一些放射性核素在氢氧化物沉淀上的吸附是由于它们在沉淀表面形成难溶的氢氧化物 碱式盐 铁酸盐和铝酸盐等 分子吸附如 有些银盐就是以分子形式被Fe2O3 Al2O3或SiO2表面吸附的 而且被吸附的银盐溶解度越小 则吸附率越高 2 滤纸 机理研究尚不充分 多数认为是通过离子交换 以H键或胶体状态 影响因素 放射性物质的性质状态 分子 离子 滤纸的种类 普通纸 活性炭 滤纸 过氯乙烯超细纤维滤纸 防止 设法回收被吸附的 先使用反载体与滤纸作用 完全沉淀到滤纸上 活性炭 a 吸附机理 分子吸附 离子交换和因静电作用引力引起 b 影响因素 不同活性炭 如无灰性活性炭 氧化活性炭 铂黑活性炭 水解吸附 阳离子交换电化学作用 不同放射性物质 第四节 结晶动力学研究结晶物质的结晶形成方式和过程以及结晶速率对时间 温度和分子结构等影响因素的依赖关系 理论上 晶体生长动力学可用等温结晶的动力学关系式 Avrami方程来定量描述 结晶过程概括为以下几步 1 溶液达到过饱和 2 晶核生成 3 晶核生长形成晶体 晶体 沉淀 的形成过程 均相成核 构晶离子在过饱和溶液中 通过离子的缔合作用 自发形成晶核 异相成核 溶液中混有的固体微粒 在沉淀过程中起着晶种的作用 诱导沉淀的形成 一 晶核的形成过程二 晶核的形成速率三 晶核的生长速率 一 晶核的形成 1 晶核的形成过程有两种情况 均相成核 构晶离子在过饱和溶液中 由于静电作用缔合起来 自发地形成晶核 例 BaSO4 Ba2 和SO42 缔合为离子对 Ba2 SO42 离子对进一步结合Ba2 或SO42 形成离子群 离子群长到一定大小 晶核 BaSO4的晶核由8个构晶离子 4个离子对 组成 CaF2的晶核由9个构晶离子组成 Ag2CrO4的晶核由6个构晶离子组成 即 二聚体 三聚体 三聚体 四聚体 四聚体 五聚体 一直达到八聚体 聚集体达到某一临界大小时 核不再解体而有可能在生长 b 异相成核 heterogeneousnucleation 溶液中有大量外来的固体微粒 如尘埃 试剂中不溶的杂质以及粘附在容器壁上的细小颗粒 在沉淀过程中起着晶种的作用 诱导构晶离子聚集在表面形成晶核 此过程称为异相成核 异相成核作用总是存在的有了晶核以后 溶液中的构晶离子向晶核表面扩散并沉积在晶核上成长为沉淀微粒 晶核产生过程在实验中难于直接观察 但可以用测量溶液电导或用放射性示踪的办法来判断 晶核生成时 溶液中离子数开始减少 电导呈现下降 下降过程直到与溶液达到平衡时结束 如 用放射性示踪剂的盐开始生成晶核后 用超离心机把固体微粒脱出 发现溶液的放射性呈现下降 二 晶核形成的速率 1 定义 晶核形成的速率指单位体积的溶液在单位时间内生成新粒子的数目 成核速率对晶体产品的粒度及其分布 晶形和产品质量都有很大影响 不同结晶过程需要有一定的成核速率 如果成核速率过大 将使晶体细小 粒度分布范围宽 产品质量下降 诱导期 从试剂混合产生过饱和条件到开始形成晶核要一定时间 I 诱导期c 当时溶质的浓度k n 均大于1 实验得出的经验常数 n似乎是反应级数 表示初生晶核离子的个数 据报道铬酸银的临界核由6个离子组成 硫酸钡是8个 CaF2是9个 晶核形成的数量与初始沉淀速度 即晶核形成速度V成核 密切相关 1926年冯 韦曼 VonWeimarn 提出 沉淀初始速度 晶核形成速度 与溶液的相对过饱和度成正比 V成核 k c c cK 和沉淀的性质 介质 温度有关的常数 c 加入沉淀剂瞬间沉淀物质的浓度 c 沉淀的溶解度 c c 过饱和度 c c c 相对过饱和度可见 溶液的相对过饱和度越小 V成核小 此时异相成核是主要成核过程 外来离子较少 形成晶核数目较少 可得到大颗粒晶形沉淀 溶液的相对过饱和度越大 V成核大 大量的构晶离子便会自发的生成新的晶核 而使均相成核过程突出起来 形成晶核数目较多 致使沉淀颗粒减小 三 晶核的生长速率 cs 饱和溶液中的浓度c 平均浓度c cs 过饱和度 对于物质MmAn的平均浓度 在过饱和溶液中已有晶核形成 以过饱和度为推动力 晶核或晶种将长大 这种现象称为晶体生长 晶核从饱和的溶液中生成之后 便会继续生长 溶液中的溶质最终变为晶体组成部分 按照晶体生长的扩散学说 晶体生长是由以下步骤组成 待结晶的溶质从溶液本体穿过靠近晶体表面的一个静止液层 到达晶体表面 到达晶体表面的溶质长入晶面 成为晶体的一部分 使晶体增大 前一过程为扩散过程 后一过程是表面反应过程 依据实验条件不同 过程的控制过程步骤可以不同 最终沉淀颗粒的大小由晶核形成速度和晶粒成长速度的相对大小所决定 如 形成大量微晶 使溶质大量消耗而难于长大 只能聚集 细小无定形沉淀 胶状沉淀 定向排列 颗粒大的晶型沉淀 沉淀的形成 聚集过程 晶核形成以后 溶液中的构晶离子不断向表面扩散并沉积 使晶核逐渐长大成为沉淀颗粒 定向过程 在聚集的同时 构晶离子又按一定的晶格整齐的排列在晶核的表面 从而形成更大晶粒的倾向 沉淀反应最终是形成晶形沉淀还是无定形沉淀 是由晶核形成速率与颗粒成长速率的相对大小决定 如上图 晶核形成速率和颗粒成长速率都与溶液的过饱和度 RSS 成正比当颗粒成长速率 晶核形成速率时 易形成晶形沉淀 反之 易形成无定形沉淀 无定形沉淀形成示意 晶形沉淀过程示意 第三节沉淀分离法在放射化学中的应用 发现新核素 发现铀核裂变 环境和生物样品中放射性核素的监测 核燃料的生产和放射性核素的分离 放射性废液的处理 沾污饮水的净化 发现新核素 居里夫妇一生与矿石打交道 发现了很多新的元素 居里夫人两次获得诺贝尔奖 第一次是她31岁的时候发现了镭 居里夫人当初就是利用钡和铋作载体把少量的镭从铀矿石中浓缩提取出来的 氯化镭1898年 第二次是她44岁时获得了化学奖 因分离出纯的金属镭而又获得1911年诺贝尔化学奖 还有Po的发现 发现铀核裂变 1938年前后 科学家们对于用中子轰击铀核以后 原子核究竟发生怎样的变化展开讨论 最后由德国科学家Strassman和Hahn用共沉淀法证实铀核发生裂变 为核能开发做出了巨大贡献 环境和生物样品中放射性核素的监测 由于环境和生物样品中放射性核素的低含量 因而采样量较大 而共沉淀法就为从大量样品中浓集和分离微量放射性核素提供了一种简单 有效的方法 怎样测定环境和生物样品中微量的60Co 可用亚硝酸钴钾共沉淀法把60Co从大量样品中分离出来该法用稳定Co作载体 亚硝酸钾作沉淀剂 生成亚硝酸钴钾沉淀 将样品中的微量60Co载带下来 使60Co得到浓集 然后将沉淀进一步纯化 制源 即可测量60Co的 放射性 多用吸附共沉淀对样品进行预浓集 例 分析河 海等水样中的微量元素 由于海水中各组分的含量很少 无法直接滴定测量 要先进行预浓集 具体方法如下 5升水样 20毫克三价铁盐 氨水 氢氧化铁沉淀