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Fällungsreaktion
Fällungsreaktionen nennt man chemische Reaktionen, bei denen die Reaktanten im Lösungsmittel gelöst vorliegen und mindestens ein Produkt der Reaktion in …
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Grundprinzip
Eine Fällungsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der die Reaktanten im Lösungsmittel gelöst sind und mindestens ein Reaktionsprodukt darin unlöslich oder schwerlöslich ist. Auch durch Abkühlen kann eine Lösung übersättigt werden. Der schlecht lösliche Stoff scheidet sich als fester Niederschlag aus; dieser heißt auch Präzipitat.
In einer Reaktionsgleichung wird das Ausfallen eines Stoffes mit einem Pfeil nach unten (↓) oder mit „(s)“ für solid hinter seiner Summenformel gekennzeichnet. Fällungsreaktionen sind wichtig, weil sie gelöste Stoffe sichtbar machen, aus Lösungen entfernen oder gezielt Feststoffe erzeugen können.
Fällungsmittel
Fällungsmittel sind Stoffe oder Stoffgemische, die gelöste Stoffe in unlösliche Feststoffe überführen und damit einen Niederschlag bewirken.
Im Kationentrenngang der analytischen Chemie dienen beispielsweise Salzsäure, Schwefelwasserstoff, Ammoniumsulfid und Ammoniumcarbonat als Fällungsmittel. Sie bilden unlösliche Schwermetallchloride, -sulfide und -carbonate. Auch bei der Abwasserreinigung haben Fällungsmittel eine besondere Bedeutung, etwa zur Entfernung von Sulfiden oder Phosphaten.
Typische Reaktionen
Aus einer Bleisalzlösung kann Bleisulfid ausfallen:
S²⁻ + Pb²⁺ + 2 NO₃⁻ → PbS↓ + 2 NO₃⁻
Diese Reaktion dient als Nachweis für Sulfidanionen oder Blei(II)-Kationen.
Aus Bariumchloridlösung kann Bariumsulfat entstehen:
SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2 Cl⁻ → BaSO₄↓ + 2 Cl⁻
Sie ist eine Synthesereaktion zur Herstellung von „Malerweiß“.
Halogenidionen der Elemente Chlor, Brom und Iod reagieren mit Silberionen zu Silberhalogeniden:
X⁻(aq) + Ag⁺(aq) → AgX(s)↓, wobei X = Cl, Br, I.
Analyse und Aufarbeitung
Spezifische Fällungsreaktionen ermöglichen den Nachweis und die qualitative Analyse einzelner Bestandteile einer Lösung. Beim Kationentrenngang werden sie sowohl zur Identifikation von Ionen als auch zum Ausfällen störender Ionen eingesetzt.
Auch die quantitative Analyse nutzt Fällungen: In der Gravimetrie, also bei Gehaltsbestimmungen über die Masse eines Stoffes, bilden sie die Grundlage vieler Bestimmungen. Teile der Volumetrie, besonders die Argentometrie, arbeiten ebenfalls mit Fällungen.
Bei der Aufarbeitung von Proben werden störende Bestandteile einer Analytlösung ausgefällt und entfernt. Dies heißt Umfällung und ist im Unterschied zur Umkristallisation eine chemische Reaktion. Eine Carrez-Klärung entfernt beispielsweise Proteine aus einer Lösung. Als weitere Anwendung nennt der Artikel die funktionelle Proteomik als alternativmedizinischen Bluttest.
Phosphatentfernung aus Abwasser
In der Abwasserreinigung wird Fällung üblicherweise zur Senkung der Phosphatkonzentration eingesetzt (Phosphorelimination). Dazu können Eisen(II)-sulfat, Eisen(II)-chlorid, Aluminiumchlorid, Natriumaluminat oder Polyaluminiumchlorid zugesetzt werden. Grundsätzlich wirken Metallsalze ähnlich; ihre Auswahl muss jedoch an örtliche Gegebenheiten, Anlagenkonstruktion, Abwasserzusammensetzung und Reinigungsziel angepasst werden.
Bei der Vorfällung wird im Zulauf der Vorklärung dosiert. Sie entlastet die Anlage; üblich sind drei- und höherwertige Metallsalze. Bei der Simultanfällung liegt die Dosierstelle im Zulauf der biologischen Stufe, im Zulauf der Nachklärung, direkt in der biologischen Stufe oder in der Rück-Schlammleitung. Sie hat die größte Effizienz des Fällmittels, ist die gängigste Phosphatfällung und eignet sich auch für kostengünstigere zweiwertige Metallsalze.
Bei der Nachfällung wird in einer gesonderten dritten Reinigungsstufe dosiert. Sie erlaubt eine gezielte, durch eine Phosphatmessung in der biologischen Stufe steuerbare Fällung und benötigt drei- oder höherwertige Metallsalze. Sie wird heute kaum noch verwendet, da sie gegenüber der Simultanfällung sehr teuer ist; im europäischen Ausland wird diese Reinigungsstufe bei neuen Anlagen wieder gebaut. Bei der Flockungsfiltration wird vor der Filtration dosiert. Sie wird in einigen großen Klärwerken eingesetzt, um besonders gute Ablaufwerte zu erreichen, üblicherweise bei Einleitung in Trinkwasserreservoirs wie am Bodensee.
Herstellung von Partikeln
Fällungsreaktionen werden großtechnisch zur Herstellung von Feststoffen wie Pigmenten und anderen funktionalen Partikeln eingesetzt. Viele Eisen-Farbpigmente entstehen auf diese Weise. Bei schnell ablaufenden Reaktionen ist die Steuerung der Partikelgröße schwierig, weil die Ausgangsstoffe im großen Maßstab nicht schnell genug gleichmäßig vermischt werden können.
Hochschermischverfahren wie Ultraschall können die Keimbildung und damit die Partikelgröße beeinflussen. Eine kurze Ultraschallbehandlung einer übersättigten Lösung löst zunächst die Bildung von Partikelkeimen aus; danach wachsen die Partikel ungehindert zu größeren Partikeln. Kontinuierlicher Ultraschall erzeugt viele Kerne und dadurch kleine Partikel. Gepulster Ultraschall wird in bestimmten Abständen eingesetzt; eine präzise Energiezufuhr ermöglicht eine maßgeschneiderte Partikelgröße.
