Precipitatie, ook wel neerslaan genoemd, is een scheidingstechniek waarbij een opgeloste stof wordt omgezet in een onoplosbare vaste stof die vervolgens via filtratie of centrifugatie van de vloeistof wordt afgescheiden. De techniek behoort tot de oudste methoden in de analytische en preparatieve chemie en wordt nog dagelijks toegepast: van de kwalitatieve detectie van een ion in een schoolpracticum tot de kwantitatieve bepaling van sulfaat in gravimetrische analyse en de zuivering van eiwitten in een biochemisch laboratorium.
Dit artikel behandelt het principe van precipitatie, de chemische achtergrond (oplosbaarheidsproduct en fractionele precipitatie), de verschillende vormen van precipitatie als scheidingstechniek, de praktische uitvoering inclusief veelvoorkomende valkuilen, en de benodigde apparatuur.
Bij precipitatie wordt een opgeloste component omgezet in een vaste stof — het precipitaat of neerslag — die niet langer in oplossing blijft. Dit gebeurt doordat de oplosbaarheidsgrens van een verbinding wordt overschreden. Zodra de concentratie van de gevormde verbinding de oplosbaarheid ervan te boven gaat, ontstaan kristallisatiekernen waaromheen verdere groei plaatsvindt, tot een zichtbaar neerslag is gevormd.
De vloeistof die na afscheiding van het neerslag overblijft, heet het filtraat of, wanneer het neerslag via centrifugatie wordt afgescheiden, het supernatant. Precipitatie is daarmee in essentie een tweetraps proces: eerst de chemische stap (het laten ontstaan van het neerslag), daarna de fysische scheidingsstap (het afscheiden van vaste stof en vloeistof via filtratie of centrifugatie).
De chemische basis van precipitatie is het oplosbaarheidsproduct Ksp (solubility product). Voor een slecht oplosbaar zout AxBy dat dissocieert volgens AxBy ⇌ xA + yB geldt in evenwicht:
Ksp = [A]x·[B]y
Zolang het product van de ionconcentraties kleiner is dan Ksp, blijft de oplossing helder: er is geen neerslag. Wordt het ionenproduct groter dan Ksp — bijvoorbeeld door toevoeging van een precipitatiereagens dat de concentratie van één van de ionen sterk verhoogt — dan is de oplossing oververzadigd en vormt zich een neerslag totdat het evenwicht weer is hersteld. Een klassiek voorbeeld is de precipitatie van bariumsulfaat: toevoeging van bariumchloride aan een sulfaathoudende oplossing verhoogt de bariumconcentratie tot het ionenproduct [Ba²⁺]·[SO₄²⁻] de zeer lage Ksp van BaSO₄ overschrijdt, waarna het nagenoeg onoplosbare bariumsulfaat neerslaat.
De mate van oververzadiging bepaalt de kristalmorfologie. Een langzame, gecontroleerde oververzadiging geeft grotere, goed gevormde kristallen die gemakkelijk filtreerbaar zijn. Een snelle, sterke oververzadiging geeft daarentegen veel kleine kristallisatiekernen tegelijk, wat resulteert in een fijn, slecht filtreerbaar neerslag met een groter risico op insluiting van verontreinigingen.
Precipitatie wordt in de praktijk op verschillende manieren ingezet, elk met een eigen doel en uitvoering.
Bij selectieve precipitatie wordt een reagens gekozen dat specifiek reageert met de doelcomponent, terwijl andere opgeloste stoffen in oplossing blijven. De selectiviteit hangt af van het grote verschil in Ksp tussen de gewenste verbinding en mogelijke nevenreacties. Selectieve precipitatie wordt onder meer gebruikt om een specifiek ion kwalitatief aan te tonen of om een storende component vooraf uit een monster te verwijderen voordat een andere analysemethode wordt toegepast.
Wanneer een oplossing meerdere ionen bevat die alle met hetzelfde reagens een precipitaat kunnen vormen, maakt fractionele precipitatie gebruik van het verschil in oplosbaarheidsproduct om ze na elkaar, in volgorde van afnemende oplosbaarheid, te laten neerslaan. De stof met de laagste Ksp bereikt als eerste de verzadigingsgrens en slaat het eerst neer; door de hoeveelheid reagens nauwkeurig te doseren en het eerste neerslag tussentijds af te filtreren, kan een mengsel van ionen stapsgewijs worden gescheiden. Deze techniek vereist een voldoende groot verschil in oplosbaarheid tussen de betrokken verbindingen om een bruikbare scheiding te verkrijgen; bij een te klein verschil treedt overlap op en is de scheiding niet kwantitatief.
Wanneer precipitatie wordt gecombineerd met een kwantitatieve weging van het gevormde en gedroogde of gegloeide neerslag, spreekt men van precipitatiegravimetrie — een van de vier hoofdvormen van gravimetrische analyse. Deze toepassing wordt in het kennisbankartikel over gravimetrische analyse in detail behandeld, inclusief de gravimetrische factor waarmee de massa van het neerslag wordt omgerekend naar de hoeveelheid van de oorspronkelijke component.
Precipitatie wordt ook ingezet als principe voor een kwantitatieve titratie: bij een neerslagtitratie — ook wel precipitatietitratie genoemd — wordt een titrant toegevoegd die met de te bepalen ion een slecht oplosbaar neerslag vormt. De bekendste toepassing is de Mohr-methode voor chloridebepaling, waarbij zilvernitraat als titrant wordt gebruikt en chloride neerslaat als zilverchloride (AgCl). Neerslagtitratie verschilt van precipitatiegravimetrie doordat het equivalentiepunt via een indicator of potentiometrisch wordt vastgesteld en de hoeveelheid analyt wordt berekend uit het verbruikte titreervolume, niet uit de massa van het neerslag. Zie het artikel over titrimetrie voor een volledig overzicht van de vier titratiemethoden.
In de biochemie en moleculaire biologie wordt precipitatie veelvuldig toegepast om eiwitten of nucleïnezuren te concentreren of te zuiveren. Eiwitten kunnen worden neergeslagen door toevoeging van een hoge zoutconcentratie (salting out, bijvoorbeeld met ammoniumsulfaat), door verlaging van de pH naar het iso-elektrisch punt, of door toevoeging van een organisch oplosmiddel zoals ethanol of aceton dat de hydratatieschil rond het eiwit verstoort. Ammoniumsulfaatprecipitatie wordt vaak ingezet als voorconcentratie binnen een breder eiwitzuivering-protocol en sluit direct aan op hydrofobe interactiechromatografie. DNA en RNA worden op vergelijkbare wijze neergeslagen met ijskoude ethanol of isopropanol in aanwezigheid van zout, zoals beschreven in de kennisbankartikelen over DNA-isolatie en RNA-isolatie. Ook bij immunologische technieken wordt het begrip precipitatie gebruikt: bij chromatine-immunoprecipitatie (ChIP) wordt een eiwit-DNA-complex specifiek neergeslagen met behulp van een antilichaam, in plaats van via een chemisch reagens.
Co-precipitatie is het ongewenste verschijnsel waarbij een normaliter oplosbare verontreiniging wordt meegesleurd in het neerslag van de hoofdcomponent, doordat ze wordt geadsorbeerd aan het kristaloppervlak, ingesloten in de kristalstructuur (occlusie) of mechanisch wordt meegenomen. Post-precipitatie is het verwante verschijnsel waarbij een tweede component pas ná het filtreren alsnog neerslaat op het reeds gevormde precipitaat. Beide effecten kunnen de nauwkeurigheid van een kwantitatieve bepaling verstoren en worden beperkt door een langzame, gecontroleerde precipitatie, een geschikte digestietijd (het laten "rijpen" van het neerslag bij verhoogde temperatuur) en zorgvuldig wassen van het neerslag.
Een zorgvuldig uitgevoerde precipitatie volgt doorgaans de volgende stappen:
De keuze tussen filtratie en centrifugatie als scheidingsstap hangt af van de deeltjesgrootte van het neerslag, het volume en het beoogde gebruik. Grof, kristallijn neerslag in grotere volumes wordt doorgaans gefiltreerd via zwaartekracht- of vacuümfiltratie, met een Büchner- of Hirsch-trechter voor kleinere hoeveelheden. Fijn, slecht filtreerbaar neerslag — zoals veel eiwit- of hydroxideprecipitaten — wordt vaak sneller en met minder verlies afgescheiden via centrifugatie, waarbij het neerslag als compact pellet op de bodem van een centrifugebuis wordt geconcentreerd en het supernatant wordt afgegoten of afgepipetteerd. Filtratie heeft als voordeel dat grote volumes eenvoudig kunnen worden verwerkt en dat het neerslag direct op het filter kan worden gewassen; centrifugatie is sneller bij kleine volumes en bij neerslag dat verstopt raakt in filtreerpapier.
Precipitatie is één van een aantal scheidingstechnieken die in het laboratorium worden gecombineerd, elk gebaseerd op een ander fysisch of chemisch principe. De onderstaande tabel plaatst precipitatie naast de meest verwante technieken.
Het onderscheid tussen precipitatie en kristallisatie is in de praktijk een kwestie van snelheid en doel. Kristallisatie streeft naar langzame, gecontroleerde kristalgroei met als doel een zo zuiver mogelijk product te verkrijgen, vaak gevolgd door herkristallisatie. Precipitatie verloopt doorgaans sneller en wordt primair ingezet als scheidingsstap, waarbij zuiverheid van het neerslag van secundair belang kan zijn ten opzichte van een snelle, kwantitatieve afscheiding van de doelcomponent.
Voor precipitatie als scheidingstechniek is doorgaans de volgende basisapparatuur nodig:
Bekijk het assortiment laboratoriumglaswerk, filtratie-apparatuur en filtreerpapier en centrifuges in onze webshop, of neem contact op voor advies over de juiste opstelling voor uw precipitatietoepassing.
Mengsels kunnen op uiteenlopende manieren worden gescheiden, afhankelijk van het type mengsel en de eigenschappen van de bestanddelen. Veelgebruikte scheidingsmethoden zijn filtratie (scheiding op deeltjesgrootte via een poreus medium), precipitatie of neerslaan (scheiding door een opgeloste stof onoplosbaar te maken), centrifugeren (scheiding op dichtheidsverschil onder centrifugaalkracht), destillatie (scheiding op kookpunt), extractie (scheiding op verdeling over twee fasen), chromatografie (scheiding op affiniteit met een stationaire en mobiele fase) en indampen of verdampen (scheiding op vluchtigheid). Welke methode het meest geschikt is, hangt af van of het mengsel homogeen of heterogeen is en van de fysische en chemische eigenschappen van de afzonderlijke componenten.
Zeven is een fysische scheidingstechniek waarbij een mengsel van vaste deeltjes met verschillende afmetingen over een zeef met een vaste maaswijdte wordt gebracht. Deeltjes kleiner dan de maaswijdte vallen door de zeef heen, terwijl grotere deeltjes worden tegengehouden. Zeven berust uitsluitend op deeltjesgrootte en wordt toegepast bij vaste, droge mengsels, bijvoorbeeld bij de bepaling van de korrelgrootteverdeling van een poeder of granulaat. Het onderscheidt zich van filtratie doordat filtratie een vloeistof of gas van een vaste stof scheidt via een poreus medium, terwijl zeven twee of meer vaste fracties van elkaar scheidt op basis van afmeting. Voor de meting van fijnere deeltjesgrootteverdelingen in suspensie wordt tegenwoordig vaak laserdiffractie toegepast in plaats van zeven.
Kristallisatie is een scheidingstechniek waarbij een opgeloste stof gecontroleerd en langzaam wordt neergeslagen in de vorm van zuivere kristallen, doorgaans door de oplossing te verzadigen via afkoeling, indamping of toevoeging van een anti-oplosmiddel. Het verschil met precipitatie zit vooral in de snelheid en het doel: kristallisatie streeft naar langzame, gecontroleerde kristalgroei voor een maximale zuiverheid, terwijl precipitatie doorgaans sneller verloopt en in de eerste plaats gericht is op een snelle scheiding van de doelcomponent uit oplossing. In de praktijk wordt kristallisatie vaak toegepast als zuiveringsstap ná een precipitatie, in de vorm van herkristallisatie: het opnieuw oplossen en langzaam laten kristalliseren van een ruw neerslag om verontreinigingen te verwijderen.
De meest gangbare scheidingstechnieken in het laboratorium zijn filtratie, precipitatie, centrifugatie, destillatie, extractie, chromatografie, kristallisatie, sublimatie en zeven. Elke techniek maakt gebruik van een specifiek fysisch of chemisch verschil tussen de componenten van een mengsel — deeltjesgrootte, dichtheid, kookpunt, oplosbaarheid, affiniteit met een stationaire fase, of sublimatiepunt. In de praktijk worden meerdere technieken vaak na elkaar toegepast: een precipitatiestap gevolgd door filtratie of centrifugatie is daarvan een veelvoorkomend voorbeeld.
In het Nederlandse voortgezet onderwijs en beroepsonderwijs worden doorgaans acht veelgebruikte scheidingsmethoden onderscheiden. Het exacte aantal varieert per leerboek — sommige bronnen hanteren zes, andere zeven of negen — maar de volgende acht vormen de vaste kern:
In sommige leerboeken wordt ook sublimatie (scheiding via de gasfase), indampen (verwijdering van een oplosmiddel door verdamping) of decanteren (afgieten van een vloeistof boven een bezinksel) als negende of tiende methode toegevoegd. De keuze van de methode hangt altijd af van de eigenschappen van de te scheiden stoffen.
Een mengsel is een combinatie van twee of meer stoffen die niet chemisch met elkaar zijn verbonden en in principe van elkaar te scheiden zijn. Mengsels worden ingedeeld op basis van de verdeelgraad van de bestanddelen:
Homogene mengsels hebben overal dezelfde samenstelling: de bestanddelen zijn op moleculair niveau gemengd en niet met het blote oog te onderscheiden. Voorbeelden zijn zoute oplossingen (zout in water), legeringen (roestvrij staal), alcohol in water en lucht. Voor homogene mengsels zijn scheidingstechnieken nodig die op moleculaire eigenschappen berusten, zoals destillatie, kristallisatie of chromatografie.
Heterogene mengsels bestaan uit zichtbaar of meetbaar van elkaar te onderscheiden componenten. Hieronder vallen suspensies (vaste deeltjes in vloeistof, zoals modderwater), emulsies (twee niet-mengbare vloeistoffen, zoals melk), schuim (gas in vloeistof of vaste stof), aerosolen (fijne druppels of deeltjes in gas, zoals mist of rook) en vaste mengsels (twee of meer vaste stoffen, zoals zand en ijzervijlsel). Heterogene mengsels zijn doorgaans eenvoudiger te scheiden via fysische methoden zoals filtratie, zeven, bezinken of decanteren. Precipitatie kan worden ingezet om een component van een homogeen mengsel (oplossing) om te zetten in een heterogeen mengsel (suspensie van neerslag in filtraat), waarna een eenvoudigere fysische scheiding volgt.
Bij toevoeging van een precipitatiereagens aan een oplossing met meerdere precipiteerbare ionen slaat de verbinding met het laagste oplosbaarheidsproduct (Ksp) doorgaans het eerst neer, omdat het ionenproduct daarvan als eerste de verzadigingsgrens overschrijdt. Dit principe vormt de basis van fractionele precipitatie. Een betrouwbare, kwantitatieve scheiding is echter alleen mogelijk wanneer het verschil in Ksp tussen de betrokken verbindingen voldoende groot is; bij een gering verschil treedt overlap op tijdens de precipitatie.
Ostwald-rijping is het verschijnsel waarbij kleine kristallisatiekernen in een neerslag geleidelijk oplossen en het vrijgekomen materiaal zich afzet op grotere kristallen. Dit proces is energetisch gunstig omdat grotere kristallen een kleiner oppervlak per eenheid van volume hebben en daarmee een lagere totale oppervlakte-energie. In de praktijk wordt Ostwald-rijping bevorderd door het neerslag enige tijd bij licht verhoogde temperatuur te laten "rijpen" (digestie). Het resultaat is een grover, homogener neerslag dat gemakkelijker filtreert, minder verontreinigingen insluit en een lagere specifieke oppervlakte heeft dan een vers gevormde precipitaat. Bij een te snelle precipitatie — door sterke oververzadiging — worden zoveel kleine kernen gevormd dat Ostwald-rijping onvoldoende tijd heeft om een goed filtreerbaar neerslag te genereren.
Salting-out is een methode waarbij eiwitten worden neergeslagen door een hoge concentratie van een neutraal zout, meestal ammoniumsulfaat, aan de eiwitoplossing toe te voegen. Bij lage zoutconcentraties verbeteren ionen de oplosbaarheid van eiwitten (salting-in) doordat ze de interactie tussen geladen eiwitgroepen en water bevorderen. Boven een kritische zoutconcentratie concurreren de zoutionen zo sterk met het eiwit om beschikbare watermoleculen dat de hydratatieschil rond het eiwit wordt verstoord: de hydrofobe gebieden op het eiwitoppervlak komen bloot te liggen en het eiwit aggregeert en slaat neer. De kritische ammoniumsulfaatconcentratie verschilt per eiwit, zodat fractionele precipitatie met stapsgewijs verhoogde zoutconcentraties een ruwe scheiding van eiwitmengsels mogelijk maakt. Salting-out is mild — de ruimtelijke structuur van het eiwit blijft grotendeels intact — en reversibel: na verwijdering van het zout door dialyse of verdunning lost het eiwit doorgaans opnieuw op.
Co-precipitatie is het verschijnsel waarbij normaal oplosbare verontreinigingen toch worden meegesleurd in het neerslag van de hoofdcomponent. Dit kan op drie manieren plaatsvinden: adsorptie aan het kristaloppervlak, occlusie (insluiting in de kristalstructuur tijdens groei) en mechanische insluiting van moederloogdruppels. Co-precipitatie vermindert u door langzaam en gecontroleerd te precipiteren (lage oververzadiging), het neerslag te laten rijpen via digestie (Ostwald-rijping stoot ingesloten verontreinigingen uit), het neerslag zorgvuldig te wassen met een geschikte wasvloeistof, en indien nodig het neerslag opnieuw op te lossen en opnieuw te precipiteren. In de gravimetrische analyse is het minimaliseren van co-precipitatie essentieel voor een nauwkeurig resultaat.
Precipitatie sluit aan bij een reeks scheidingstechnieken en analytische methoden in de Labvakhandel-kennisbank. Voor de kwantitatieve toepassing van precipitatie via weging zie het artikel over gravimetrische analyse. Voor de afscheiding van het gevormde neerslag van de vloeistof zie de artikelen over laboratorium filtratie en laboratorium centrifuges. Voor de keuze van het juiste filtreerpapier of de juiste trechter bij filtratie van een neerslag zie de artikelen over filterpapier en weegpapier en laboratoriumtrechters. Voor een alternatieve scheidingstechniek op basis van verdeling tussen twee vloeistoffasen zie het artikel over vloeistof-vloeistofextractie (LLE). Voor de zuiverheidseisen aan reagentia die bij precipitatiereacties worden gebruikt zie het artikel over zuiverheidsgraden van chemicaliën. Voor de precipitatie van nucleïnezuren als onderdeel van monstervoorbereiding zie de artikelen over DNA-isolatie en RNA-isolatie. Voor antilichaam-gestuurde precipitatie van eiwit-DNA-complexen zie het artikel over chromatine-immunoprecipitatie (ChIP). Voor de toepassing van precipitatie als titratiemethode zie het artikel over titrimetrie. Voor de gecontroleerde kristalgroei als zuiveringsstap na precipitatie zie het artikel over kristallisatie als zuiveringstechniek.
Neem contact op voor advies over de juiste apparatuur en verbruiksartikelen voor uw precipitatietoepassing.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
