Ringkasan topik

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  • 溶存金属成分の共同沈殿（概要）

    • 　金属元素の多くは、難溶性の酸化物（例えば、Fe2O3）や水酸化物(Fe(OH)3)をつくります。また、金、銀、銅、鉛などは塩化物(Cl-)と結合して難溶性の塩化物粒子を形成します。水中でこれらの物質ができるのは、金属イオンが過飽和にあるときです。これはpHに依存して、pHが高い方が粒子ができやすいです。過飽和な状態が保たれると、これらの難溶性物質が集合して超微粒子の核を形成します。核が多量にあれば、それらが凝集してコロイド粒子になります。

       

      　水中で微粒子が分散している状態（コロイド）を保つには、個々の粒子表面が同じ符号の電荷（プラス or マイナス）で帯電していることが必要です。そうすれば、粒子同士が静電力で反発し合い、凝集することはありません。微粒子表面が帯電する機構はいくつかあるので、二つ紹介します(コロイド科学，Cosgrove編，東京化学同人を参考にしています)。

       

      (a)　表面基のイオン化　－金属酸化物や金属水酸化物のケース－

      　官能基をもつ粒子は、表面に露出しているその官能基がイオン化することにより帯電します。例えば、水酸化物の粒子表面のOHはpHが低いと水中のH+を引き寄せて正に帯電します。pHが高いと、自らH+を放出して負に帯電します。

      　水に塩化鉄(FeCl3)や硫酸鉄(FeSO4)を入れて、少量のアルカリ性物質（アンモニアや水酸化ナトリウム）を入れると、オキシ水酸化鉄(FeO(OH))ができます。酸化物や水酸化物の粒子表面のOHは水中のH+を引き寄せて正電荷を帯びる。個々の粒子表面が正の電荷を帯びるので、粒子同士は反発し合います。その結果、これらの微粒子同士が凝集することは無く、コロイドの状態を保ちます。

       

      (b)　イオン性固体の解離

       　イオン性の固体（金、銀、銅、鉛の塩化物、ヨウ化物など）は、水中の共通イオンを粒子表面に引き寄せて、帯電します。例えば、NaCl溶液に少量のAgNO3溶液を加えると、難溶性のAgCl微粒子ができる。この溶液中に存在するイオンは、Na+, Cl－, NO3－です。この中でAgClとの共通イオンはCl－なので、AgCl粒子表面に引き寄せられるのはCl－イオンとなり、粒子表面は負に帯電します。これを一次荷電層といいます。さらに、一次荷電層の電荷に別符号のイオン（この場合、Na+）がゆるく引き寄せられます。これを電気二重層といいます。粒子同士は同じ符号で帯電しているので反発し合い、凝集成長をふせぎます。

      　もちろん、水中に共通イオンがなくなれば、帯電することはないので、凝集が進んで沈殿します。

       

  • 環境試料水から金属成分の回収（共同沈殿法の利用）

    • 　環境分析化学では、主となる沈殿が不純物を含んで成長する“共同沈殿”の原理を利用して、環境試料から対象成分を回収することがあります。

       

      例えば、

      工業排水から重金属を除去する際の、鉄の水酸化物による共同沈殿法


      　工業排水に硫酸鉄(FeSO4)を入れて、水中に多量のFe2+を溶存させる。これにアンモニア水や水酸化ナトリウムを添加してアルカリ性に保ってやれば、FeO(OH)のコロイドができます。このとき、溶存する微量な金属元素も水酸化物や酸化物の難溶性の超微粒子を形成します。多量のFeO(OH)コロイドは、他元素の水酸化物微粒子を巻き込んで沈殿（共同沈殿）します。この沈殿を回収すれば、工業排水から重金属を効率的に除去することができます。

       


      海水からの放射性物質の除去や海洋観測への応用


      鉄共沈法                これは、海水中の微量元素（ウランや希土類など）を濃縮するのにも用いられてきた方法です。以下の図に、鉄共沈によって回収できる元素を示します。希土類（La～Lu）からウラン(U)、プルトニウム(Pu)まで回収できるのです。そんなこともあり、福島第一原発の汚染水処理では放射性物質の除去の初段階にも鉄共沈法が用いられています。なお、鉄の水酸化物が使われる理由は、この沈殿の比表面積が広く、吸着容量が大きいからです（海と湖の化学, 藤永太一郎[監修], 京都大学出版会）。