超聲波沉淀釋義

超聲波沉淀也稱(chēng)超聲波化學(xué)沉淀，是一種應(yīng)用廣泛的納米無(wú)機(jī)材料制備方法，該法可以很大提高非均相反應(yīng)的速度， 實(shí)現(xiàn)非均相反應(yīng)物間的均勻混合， 加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散， 促進(jìn)固體新相的形成， 控制顆粒的尺寸和分布， 強(qiáng)化非均相界面之間的傳質(zhì)， 比傳統(tǒng)的方法具有明顯的優(yōu)勢(shì) 。

波分為次聲波、聲波和超聲波 3 種形式。其中，頻率小于 20 Hz 的為次聲波，頻率在 20 Hz ~ 20 kHz的為聲波，頻率大于 20 kHz 的為超聲波。一般來(lái)說(shuō)，人耳是聽(tīng)不到次聲波和超聲波的。超聲波由于頻率高、波長(zhǎng)短，因而傳播的方向性好、穿透能力強(qiáng)。當(dāng)液體介質(zhì)中存在超聲波作用時(shí)，超聲波疏密相間地向前輻射使液體發(fā)生流動(dòng)，引起媒質(zhì)分子以其平衡位置為中心發(fā)生振動(dòng)。在超聲波壓縮相內(nèi)，分子間的平均距離減小，而在稀疏相內(nèi)，分子間的平均距離增大。倘若聲強(qiáng)足夠大，液體受到的相應(yīng)負(fù)壓也足夠強(qiáng)，那么分子間平均距離就會(huì)增大到超過(guò)極限距離，從而破壞液體結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致空穴產(chǎn)生，溶解在溶液中的氣體會(huì)被吸入到空穴中形成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡，這些小氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生及生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合(崩潰)，在崩潰點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壽命極短的局部熱點(diǎn)， 這一現(xiàn)象就是超聲空化。 Suslick等用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定氣相反應(yīng)的溫度達(dá)到了(5 200 ±650) K，液相反應(yīng)區(qū)的有效溫度在 1 900 K 左右，局部壓力在 5.05 × 10⁷Pa 以上，冷卻速度達(dá)到10⁹K/s，而氣泡液相層厚度在 200 ~ 300 nm 之間。超聲空化形成了異常的高溫、高壓等極端條件，這為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的物理化學(xué)環(huán)境 。

超聲波沉淀原理

將硫酸鋅溶液置于超聲場(chǎng)中輻射， 以草酸溶液為沉淀劑， 以曲拉通 X-100 為表面活性劑防團(tuán)聚，利用超聲波的特殊能量和聲空化作用使反應(yīng)物均勻混合， 提高反應(yīng)速度， 加快反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散， 促進(jìn)固體新相的形成， 從而控制顆粒的尺寸和分布。然后再在常溫常壓下攪拌使顆粒更好的球形化。

采用超聲波沉淀法以硫酸鋅和草酸為原料制備納米氧化鋅顆粒的反應(yīng)式為：

ZnSO₄ H₂C₂O₄→ZnC₂O₄↓ H₂SO₄

ZnC₂O₄→ ZnO 2CO₂

超聲波沉淀制備方法

分別量取一定量 1.0mol/L 硫酸鋅溶液和曲拉通溶液于同一燒杯中攪拌均勻， 在頻率為 50kHz 的超聲場(chǎng)中輻射;再量取一定量的 1.0mol/L 草酸為沉淀劑， 采用正加法一次性迅速加入草酸溶液， 待反應(yīng)開(kāi)始生成沉淀后繼續(xù)超聲輻照 1h。反應(yīng)結(jié)束后， 經(jīng)減壓抽濾， 納米沉淀物用蒸餾水和無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌， 然后真空干燥。干燥后的前驅(qū)體納米草酸鋅， 裝入坩堝中， 放入馬弗爐中在一定溫度下煅燒 2h， 得到白色粉末納米氧化鋅。納米氧化鋅的平均粒徑(直徑)可由衍射峰的半峰寬通過(guò)謝樂(lè)公式計(jì)算得到 。2100433B

沉淀平衡判斷沉淀的溶解與生成

利用溶度積K_sp可以判斷沉淀的生成、溶解情況以及沉淀溶解平衡移動(dòng)方向。

（1）當(dāng)Q_c>K_sp時(shí)是過(guò)飽和溶液，反應(yīng)向生成沉淀方向進(jìn)行，直至達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)（飽和為止）；

（2）當(dāng)Q_c=K_sp時(shí)是過(guò)飽和溶液時(shí)是飽和溶液，達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)；

（3）當(dāng)Q_c sp時(shí)是不飽和溶液，反應(yīng)向沉淀溶解的方向進(jìn)行，直至達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)（飽和為止）。

以上規(guī)則稱(chēng)為溶度積規(guī)則。沉淀的生成和溶解這兩個(gè)相反的過(guò)程它們相互轉(zhuǎn)化的條件是離子濃度的大小，控制離子濃度的大小，可以使反應(yīng)向所需要的方向轉(zhuǎn)化。

沉淀平衡判斷沉淀的轉(zhuǎn)化

所謂沉淀的轉(zhuǎn)化，是指在含有一種難溶物沉淀的溶液中，加入另一種沉淀劑，是原來(lái)的沉淀轉(zhuǎn)化成另一種沉淀。例如，在有AgCrO ₄（磚紅色）沉淀的溶液中，滴加NaCl溶液，AgCrO4沉淀迅速地轉(zhuǎn)化成AgCl（白色）沉淀。

根據(jù)平衡移動(dòng)原理，利用難溶物質(zhì)的溶解度使沉淀進(jìn)行轉(zhuǎn)化。即由一種難溶的物質(zhì)（溶解濃度大）轉(zhuǎn)化成更難溶的物質(zhì)（溶解濃度?。┎拍馨l(fā)生，反之，就難以使沉淀轉(zhuǎn)化，這就是沉淀轉(zhuǎn)化的條件。

因此，沉淀轉(zhuǎn)化的過(guò)程，實(shí)際上也是平衡移動(dòng)原理的體現(xiàn)，其中包含兩個(gè)過(guò)程：舊沉淀的溶解和新沉淀的生成。舊沉淀的溶解度越大，新沉淀的溶解度越小，沉淀的轉(zhuǎn)化越容易進(jìn)行，反之，就難于進(jìn)行，甚至不可能。但是，在新沉淀和舊沉淀的溶解度相差不大的時(shí)候，兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)化都有可能，這是轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向取決于兩種沉淀例子濃度的大小。

為了得到純凈、較大的晶粒，以及結(jié)構(gòu)緊密、易于洗滌的沉淀物，在沉淀時(shí)應(yīng)根據(jù)沉淀物的性質(zhì)控制適當(dāng)?shù)某恋項(xiàng)l件。

一、晶形沉淀的沉淀?xiàng)l件：

1）沉淀應(yīng)在稀溶液中進(jìn)行。

2）在不斷攪拌下將沉淀劑緩慢地加入熱溶液中。

3）選擇合適的沉淀劑。

4）進(jìn)行陳化。

二、非晶形沉淀物的沉淀?xiàng)l件：

1）在較濃的溶液中進(jìn)行沉淀，沉淀劑加入的速度要快一些。

2）在熱溶液中及電解質(zhì)存在的條件下進(jìn)行沉淀。

3）趁熱過(guò)濾、洗滌沉淀物，不必陳化。

4）必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行再沉淀。

沉淀平衡具有以下特征，“逆”、“等”、“動(dòng)”、“定”、“變”：

（1）“逆”：其過(guò)程為可逆過(guò)程；

（2）“等”：沉淀平衡過(guò)程的沉積和溶解速率相等；

（3）“動(dòng)”：平衡為動(dòng)態(tài)平衡；

（4）“定”：離子濃度一定；

（5）“變”：改變溫度、濃度等條件，沉淀溶解平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)直到建立一個(gè)新的沉淀溶解平衡。