ROZTWORY BUFOROWE

Są to roztwory o ściśle określonym składzie, mają zdolność zachowywania w przybliżeniu stałej wartości pH podczas rozcieńczania lub zatężania oraz przeciwdziałania nagłym zmianom pH podczas dodawania niewielkich ilości mocnych kwasów i zasad.

Są to:

a) mieszaniny roztworów słabych kwasów i ich soli z mocnymi zasadami, np. bufor octanowy

CH₃COOH+CH₃COONa

Donor protonów (CH3COOH) chroni roztwór przed zmianą pH podczas dodawania do układu zasady.

CH₃COOH+OH↔CH₃COO^- +H₂O

Akceptor protonów (jon octanowy) chroni roztwór przed zmianą pH podczas dodawania do układu kwasu

CH₃COO^-+H⁺↔CH₃COOH

W reakcji powstaje słaby CH3COOH i pH praktycznie nie ulega zmianie (układ buforowany obustronnie).

Wzór na pH tego typu mieszanin:

b)mieszaniny roztworów słabych zasad i ich soli z mocnymi kwasami, np. bufor amonowy

NH_3(aq)+NH₄Cl

Zasada amonowa chroni roztwór przed zmianą pH podczas dodawania kwasu, powstają jony NH4⁺, które i tak są już w roztworze

NH₄OH+H⁺NH₄⁺+H₂O

Jon amonowy chroni roztwór przed zmianą pH podczas dodawania mocnej zasady (powstaje słaba zasada amonowa)

NH₄⁺+OH^-NH₄OH

c) mieszaniny dwóch soli kwasu wieloprotonowego, różniących się rzędowością, np. bufor fosforanowy

Na₂HPO₄+NaH₂PO₄

Wzór na pH tego typu mieszanin:

Roztwory buforowane stosowane są wszędzie tam, gdzie zależy nam na utrzymaniu stałej wartości pH. Przygotowując bufory możemy uzyskać roztwory o zadanym z góry pH.

Układy buforowe odgrywają także niezmiernie ważną rolę w żywych organizmach, w których stężenie jonów wodorowych może zmieniać się tylko w wąskim przedziale. Mieszaniny buforowe powstają w trakcie miareczkowań alkacymetrycznych.

HYDROLIZA SOLI

Po rozpuszczeniu soli w czystej wodzie otrzymujemy roztwór, który w zależności od rodzaju od rodzaju soli ma odczyn:

• Kwaśny w przypadku rozpuszczania soli mocnego kwasu i słabej zasady

• Zasadowy w przypadku rozpuszczania soli mocnej zasady i słabego kwasu

• Obojętny lub zbliżony do obojętnego, jeżeli rozpuszczana jest sól słabego kwasu i słabej zasady

Przyczyną tego zjawiska są reakcje cząsteczek wody z jonami słabych elektrolitów pochodzących z soli. Tego typu reakcje to hydroliza. Powodują ją sole tylko te sole, których jony mają zdolność przyjmowania lub oddawania protonów (H⁺) w środowisku wodnym.

Sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie hydrolizują - ich jony nie przyjmują i nie oddają protonów, a roztwory wodne tych soli mają odczyn obojętny.

Hydroliza chlorku amonowego (mocny kwas i słaba zasada).

NH₄Cl jest w wodzie całkowicie zdysocjowany na jony NH₄⁺ i jony Cl^-. Jony NH₄⁺ wchodzą w reakcję z cząsteczkami wody pełniącymi rolę zasady

NH₄⁺+H₂O↔NH₃+ H₃O⁺

W wyniku tej reakcji w roztworze soli wzrasta stężenie jonów hydronowych H₃O⁺, co powoduje kwaśny odczyn roztworu (jony wodorowe H⁺ nie łączą się z jonami chlorkowymi Cl^- pochodzącymi z dysocjacji chlorku amonu, ponieważ kwas solny HCl jako mocny elektrolit jest w roztworze wodnym całkowicie zdysocjowany na jony).

Analogicznie w wodzie zachowują się wszystkie sole powstające w reakcji mocnych kwasów i słabych zasad - hydrolizują, dając odczyn kwaśny. Jest to hydroliza kationowa.

Stężenie molowe jonów H+ w wodnych roztworach soli mocnych kwasów i słabych zasad oblicza się wzorem:

Hydroliza octanu sodu (słaby kwas i mocna zasada) CH₃COONa

Sól ta w roztworze wodnym jest całkowicie zdysocjowana na jony octanowe CH₃COO^-

i jony sodowe Na⁺. Jony octanowe, zgodnie z teorią Broensteda stanowią zasadę anionową

i wchodzą w reakcję z cząsteczkami wody pełniącymi tutaj rolę kwasu

CH₃COO^-+ H₂O↔CH₃COOH+ OH^-

W wyniku reakcji w roztworze wzrasta stężenie jonów OH^-, co powoduje zasadowy odczyn roztworu (jony OH^-) nie łączą się w roztworze z jonami Na⁺ pochodzącymi z dysocjacji octanu sodowego, ponieważ NaOH jest mocnym elektrolitem, w roztworze wodnym całkowicie zdysocjowanym na jony).

Sole powstające w reakcji słabych kwasów i mocnych zasad hydrolizują, dając odczyn zasadowy roztworu. Ten typ reakcji to hydroliza anionowa.

Stężenie molowe jonów H+ w wodnych roztworach soli słabych kwasów i mocnych zasad oblicza się wzorem:

Podczas rozpuszczania w wodzie soli słabego kwasu i słabej zasady, np. octanu amonu (CH₃COONH₄), która zawiera kwas kationowy NH₄⁺ i zasadę amonową CH₃COO^-, zachodzą reakcje:

NH₄⁺+H₂O↔NH₃+ H₃O⁺

CH₃COO^-+H₂O↔CH₃COOH+ OH^-

Reakcje te zachodzą do chwili ustalenia się stanu równowagi. Dodatkowo zachodzi proces łączenia się jonów w cząsteczki wody

H₃O⁺+OH^- ↔ 2H₂O

W przypadku soli utworzonych ze słabych kwasów i słabych zasad odczyny wodnych roztworów mogą być obojętne, lekko kwaśne (gdy względna moc kwasu jest większa od mocy zasady) lub zasadowy (gdy względna moc zasady jest większa od mocy kwasu).

Jest to hydroliza kationowo-anionowa.

Stężenie molowe jonów H+ w wodnych roztworach soli słabych kwasów i słabych zasad oblicza się wzorem:

TWARDOŚĆ WODY

Jest to zdolność wody do tworzenia tzw. Kamienia kotłowego. Spowodowana jest obecnością kationów wapnia i magnezu. Jony te pochodzą z rozpuszczonych w wodzie soli wodorowęglanowych, siarczanowych, chlorkowych i innych.

Jony Ca2+ i Mg 2+ wchodzą w szereg niekorzystnych reakcji przebiegających podczas procesów technologicznych, jak np. powstawanie kamienia kotłowego w instalacjach wodnych w czasie ogrzewania wody (wytwarzania pary grzejnej).

Osadzanie się kamienia w kotłach przemysłowych może powodować duże problemy techniczne, ponieważ CaCO3 i MgCO3 są złymi przewodnikami ciepła - kamień znacznie obniża skuteczność ogrzewania i z czasem kocioł może ulec uszkodzeniu.

Inną niepożądaną reakcją, jaka przebiega w czasie mycia bądź prania w „twardej” wodzie jest powstawanie „kłaczków zawiesiny” palmitynianu lub stearynianu wapnia.

2C₁₇H₃₅COO^-+ Ca²⁺ (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓

Aniony stearynianowe są produktem reakcji dysocjacji stearynianu sodu lub potasu, które to związki są jednymi z głównych składników mydeł.

Twardość wody dzieli się na twardość trwałą (niewęglanową) oraz węglanową(wodorowęglanową), inaczej przemijającą. Doprowadzenie wody do wrzenia powoduje rozkład wodorowęglanów, a tym samym usunięcie twardości przemijającej. Wytrącają się wówczas trudno rozpuszczalne w wodzie węglan wapnia i wodorotlenek magnezu.

Ca(HCO₃)₂CaCO₃↓+ H₂O + CO₂↑

Twardość węglanową można również usunąć, dodając do wody mleka wapiennego - wodnego roztworu Ca(OH)₂.

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂2CaCO₃↓+2H₂O

Mg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂2CaCO₃↓+Mg(OH)₂↓+2H₂O

Twardość trwała (nieprzemijająca) spowodowana jest obecnością w wodzie siarczanów oraz chlorków wapnia i magnezu. Można ją usunąć, dodając do wody p. sodę, ortofosforan sodu i inne substancje.

CaSO₄+Na₂CO₃CaCO₃↓+ Na₂SO₄

Usunięcie składników mineralnych z wody najczęściej przeprowadza się, stosując syntetyczne żywice jonowymienne, zwane jonitami. Zależnie od składu mogą one wymieniać kationy (kationity - w ich strukturę wbudowane są jony H⁺) lub aniony (anionity - w ich strukturę wbudowane są jony OH^-). Stosując jonity, można przeprowadzić praktycznie całkowitą demineralizację (dejonizację) wody.

KtH₂+Ca₂₊KtCa + 2H⁺

Zużyte jonity można łatwo regenerować przez przemywanie ich roztworem mocnego kwasu (w przypadku kationitów) lub mocnej zasady (w przypadku anionitów).

Twardość wody może być wyrażona w mM∙dm^-3 (milimole) oraz w skali niemieckiej lub milimolowej, przy czym:

• mM∙dm^-3 odpowiada stężeniu molowemu pomnożonemu przez 1000, bo 1 mol=1000 milimoli

• 1° niemiecki (1°N) odpowiada takiej ilości jonów wapnia lub magnezu, która powoduje twardość wody, identyczną z twardością powstałą po rozpuszczeniu w 1 dm³ wody 10,0 mg CaO

• 1°mM odpowiada zawartości połowy milimola jonów wapnia lub magnezu w 1 dm³, co wynosi odpowiednio 20,04 mg Ca²⁺ lub 12,16 mg jonów Mg²⁺ w 1 dm³ wody

1°mM = 0,5 mM∙dm-3

1°mM = 2,8 °N

1°N = 0,357 °mM

Inne zanieczyszczenia wody

- zanieczyszczenia ze skał: wietrzenie chemiczne skał

CaCO₃+CO₂+H₂O Ca(HCO₃)₂

MgCO₃+CO₂+H2O Mg(HCO₃)₂

- zanieczyszczenie dużą ilością żelaza w postaci rozpuszczalnych związków żelaza, najczęściej Fe(HCO₃)₂

Usuwanie (odżelazianie) polega na działaniu O₂ z powietrza

4Fe(HCO₃)₂+2H₂O 4Fe(OH)₃+8CO₂

Fe(OH)₃ jest trudno rozpuszczalny w H₂O) i jest oddzielany przez odsączenie na odpowiednich filtrach.

ZJAWISKA KOLOIDOWE

• elektroforeza - ruch cząstek fazy rozproszonej w stałym polu elektrycznym względem nieruchomego ośrodka adsorpcyjnego. Cząsteczki koloidu tworzę micelę.

Anaforeza - ruch cząstek ku anodzie

Kataforeza - ruch cząstek ku katodzie

Pomiędzy warstwą dyfuzyjną a roztworem powstaje potencjał elektrokinetyczny (potencjał dżeta).

• Koagulacja - łączenie się cząstek koloidowych aż do takiej wielkości, że tworzą agregaty (osad).

Koagulację przyspiesza temperatura (koagulacja nieodwracalna) oraz dodanie elektrolitu o przeciwnym ładunku (zobojętnienie).

Koagulacja odwracalna (proces odwrotny do peptyzacji)

zol żel

Koagulacja nieodwracalna (u białek tzw. Denaturacja)

zol żel

• Peptyzacja

- proces odwrotny do koagulacji

- rozbicie cząsteczek koloidowych na mniejsze części

- rozcieńczanie wodą roztworu

- pod wpływem temperatury nieodwracalna

Koloidy dzielą się na

- liofilowe (hydrofilowe) - łatwo otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika, tragiczne osady

-liofobowe (hydrofobowe) - osady sypkie, łatwo sączące się

Budowa jądra atomowego:

Z wyjątkiem atomu wodoru, jądro złożone jest z:

• protonów p⁺ - ładunek dodatni, trwałą cząstka elementarna, masa = 1,007825
  

1

---