A kémia és a kohászat területén a csapadék egy heterogén diszpergált fázis egy domináns fázisban. A csapadék képződése csapadék . A kifejezést a biokémiában is használják , egy molekuláris aggregátum, például antitest képződésének jelölésére , amely a cső aljára települ (vagy centrifugálással ülepedik le ).
A kémia területén ez általában egy só vagy egy folyadékban lévő molekuláris vegyület szilárd kristályára vonatkozik . A csapadék képződésének két fő helyzete (1) egy kémiai reakció során, amelyben az egyik termék kevéssé oldódik a reakció oldószerében, vagy (2) a hőmérséklet változása során. Ez a meghatározás kizárja egy szilárd anyag bevitelét, amely nem nagyon oldódik vízben, mivel egyes művek ennek ellenére ajánlják. A kohászatban ez azt is jelezheti, hogy egy ötvözeten belül egy adott összetételű kristály képződik. A meteorológiai , erre utal a képződését víz csepp vagy jég kristályok a légkörben , lásd csapadék .
A stabil csapadék jelenléte a folyadékfázis ( oldat ) és a szilárd fázis (só) közötti termodinamikai egyensúlyból származik .
Tekintsünk egy oldatot, például egy vizes oldat a nátrium-klorid- NaCl (konyhasó). Ha kis mennyiségű sót tesz a vízbe, ez a só feloldódik . Egy adott C s mennyiségtől , amely a hőmérséklettől függ , a só már nem oldódik fel: állítólag az oldat „ telített ”.
Abban az esetben, ha a C s a hőmérséklettel együtt növekszik, lehetséges, hogy a csapadék hevítéssel oldódik fel, amely az oldat lehűlésével megreformálódik. Ha C a sókoncentráció, akkor:
C < C s ( T ): a só feloldódik; C > C s ( T ): a só kicsapódik (telítettség).Az oldhatóság a hőmérséklet függvényében növekedhet vagy csökkenhet. Ha csökken, akkor melegítéssel keletkezhet csapadék. Ez a helyzet a kalcium-acetáttal ; 37,4 g / 100 ml ( 0 ° C ); 34,7 g / 100 ml ( 20 ° C ); 29,7 g / 100 ml ( 100 ° C ). A hőmérsékleti oldhatóságnak ez az inverz evolúciója a vízben lévő ionos vegyületeknél fordul elő, de semmiképpen sem molekuláris vegyületeknél (például a szerves kémia területén).
A csapadék kémiai egyenletként szerepel :
Na + + Cl - ↔ (NaCl) krahol "Na + " és "Cl - " a disszociált fajokat (az oldott sót) és a "(NaCl) cr " a kristályosodott sót jelöli. Általában index nélkül megjegyezzük az oldott fajokat, és egy nyílvesszőt helyezünk a kristályosított fajok alá:
Ami az egyensúlyi reakciókat illeti, meghatározhatunk egy K s egyensúlyi állandót , amelyet oldhatósági szorzatnak nevezünk :
K s ( T ) = [Na + ] · [Cl - ] (ha csapadék van)és ennek az állandónak a p K s potenciálja :
p K s = –log ( K s )A használata K s általánosabb, mert a Na + és Cl - ionok jöhet több különböző sók. Ha a koncentrációkat moláris frakcióként fejezzük ki , akkor ebben a konkrét esetben a csapadékig van időnk
C = [Na + ] = [Cl - ]van
K s = C s 2Általános esetben két A m + és B n ion létezik - amelyek sót képezhetnek A n B m ; az oldhatósági szorzatot írják:
K s = [A m + ] n [B n - ] mA csapadék képződése jellemezheti egy faj jelenlétét az analitikai kémia oldatában . Ez egyben az elegyben jelenlévő fajok, egy fémion szétválasztása a fém előállításához vagy a reakcióelegyből szintetizált fajok elkülönítése.
A kohászatban és általában az anyagtudományban két jelenség érdekel:
Mindkét esetben ennek a heterogén fázisnak a kialakulása két szakaszban történik:
A szilárd fázisban, a csapadék növekedése után az utóbbi tovább fejlődhet koaleszcenciával. Végül van egy speciális kicsapódási mód, a spinodális bomlás is .
Szilárdulás esetén a csírázás általában hűtés közben történik.
Vegyük a tiszta test esetét. Egy adott nyomás P , az alábbiakban egy adott hőmérséklet T f (a olvadáspont , attól függően, hogy a nyomás), csak a szilárd fázis stabil, így elméletileg, a hőmérséklet stabil marad T f ( P ) időben, hogy az összes folyadékot megszilárdul (a megszilárdulás hőt bocsát ki , a látens fúziós hőt , amely kompenzálja a hőmérséklet csökkenését).
Valójában túlhűtésnek vagyunk tanúi : a T f- nél keletkező kristályokat termikus keverés közben oldják fel. A hőmérsékletnek kellően le kell esnie ahhoz, hogy ezek a mikrokristályok stabilak legyenek; a csírázást inokuláns beültetésével lehet megkezdeni (ezek szemcsék vagy intersticiális atomok, amelyeket önként hoztak be a csírázási folyamat felgyorsítása, valamint az ötvözet ellenállóbbá és keményebbé tétele érdekében; beszélünk szennyeződésekről is (más összetételű szemcsék, amelyek nem olvadnak meg és amelyek képezik a kristályok kezdetét)). Ezek a szennyeződések javítják a képződött ötvözet jellemzőit, mivel több és több helyen olyan csírákat képeznek, amelyek a szemeket meg fogják szülni.
Termodinamikailag a kristály létrehozása energiát szabadít fel, de a szilárd-folyékony határfelület ( felületi feszültség ) létrehozása miatt is megköveteli ; a csírázáshoz termodinamikailag kedvezőnek kell lennie, vagyis az atomok elrendeződésével felszabaduló energia kompenzálja a felületi feszültséget.
NövekedésA szilárd fázisú kicsapás ötvözeten belül zajlik. Általában van egy többségi M fém, amely kisebb mennyiségű A ötvözetet tartalmaz. Ha az A ötvöző elem koncentrációja alacsony, van egy homogén fázis, amely M szilárd A oldatából áll (lásd egyszeri hiba ).
Amikor a koncentrációja A meghalad egy határértéket C s ( T ) van, kristályainak képződését sztöchiometrikus ötvözet, általában rendezett, a M és A: M m A egy ( m , és egy pedig a sztöchiometrikus arányok). Ennek során az ötvözet kimerül A-ban, a folyamat tehát leáll, amikor az A teljes koncentrációja a fennmaradó M-ben C s ( T ) alá csökken . Ha A szintén fém, akkor M m A a- t " intermetallikusnak " nevezzük .
Ha a hőmérséklet emelkedik, és C s ( T ) nagyobb lesz, mint az A koncentrációja az M fázisban, akkor a csapadék feloldódik, még szilárd fázisban.
Például, egy acél vagy öntöttvas egy ötvözet vas tartalmazó kis arányban szén . Bizonyos hőmérsékleti körülmények között Fe 3 C- karbid ( cementit ) csapadékok képződhetnek acélban vagy öntöttvasban.
A jelenség valójában összetettebb, mivel általában több ötvöző elem van, amely befolyásolja a fázisok stabilitását.
CsírázásA szilárd fázisú csapadék lassú lehűléskor is előfordul (a kioltás megakadályozhatja a csapadékképződést).
Abban az esetben, alumínium ötvözetek , lokálisan, a túltelítettség a ötvözőelem okoz rendelési az atomok amelyek egy úgynevezett „Guinier-Preston” zóna vagy „GP zóna”. Ez a Guinier-Preston zóna képezi a csíra kezdetét: még nem rendezett kristály. Az ötvözőelem atomjainak mozgása helyben kimerítette a keveréket, és ezt a kimerülést az atomok vándorlása, a diffúzió kompenzálja . A Guinier-Preston zóna ezért ötvöző elemek atomjaival van ellátva, és ezért magokká alakítható.
A megszilárduláshoz hasonlóan a felületi feszültség is a csapadék oldódási hőmérséklete alatt csírázik.
NövekedésA növekedés a kristályok megnagyobbodására vagy méretének növekedésére utal.
KoaleszcenciaA biomolekulák , részecskék vagy sejtek , aggregátumaik vagy komplexeik kicsapódása más vegyületekkel az oldhatóság elvesztéséből és a molekulatömeg vagy tömeg növekedéséből adódik ( pl . Antigén / antitest komplexek képződése ; sejtek aggregációja (= agglutináció ); részecskék és sejtek). Ennek oka lehet a közeg összetételének megváltozása ( a biomolekulákkal ellentétes polaritásúvá válás vagy az ionerősség megváltozása), vagy a biomolekulák jellemzői (a poláris csoportok kémiai reakcióval történő elvesztése vagy erősödése) is.
A csapadék itt játszik szerepet: