Jerzy Masełko
WODA
Właściwości fizyczne i chemiczne wody
Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych w przyrodzie. Jest cieczą bezbarwną, bez smaku i zapachu, ma interesujące anomalia o dużym znaczeniu biologicznym. Gęstość wody podobnie jak i gęstość innych substancji zależy od temperatury. Zależność ta w przypadku wody jest specyficzna, ponieważ woda wykazuje maksimum gęstości w temperaturze 4oC. Poniżej i powyżej tej temperatury gęstość wody jest mniejsza od jedności (1g/cm3). Dzięki temu woda w rzekach i jeziorach zamarza tylko na powierzchni, co umożliwia istnienie życia biologicznego w głębi wody. Przyczyną takiego zachowania się wody jest asocjacja jej cząsteczek na większe cząsteczki o wzorze (H2O)x o mniejszej gęstości. Asocjacja cząsteczek wody wynika z biegunowej budowy cząsteczki wody. Kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony w rodzaju H-O-H, lecz odpowiada trójkątowi, w którego jednym wierzchołku znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Kąt między atomami wodoru wynosi 104o40'. Taka budowa cząsteczki H2O powoduje jej biegunowość elektryczną. W okolicy atomu tlenu gromadzi się więcej ładunków ujemnych, zaś w okolicy atomów wodoru istnieje przewaga ładunków dodatnich. Cząsteczki wody przyciągają się różnoimiennymi biegunami tworząc asocjaty (tj. zespoły dwóch lub więcej cząsteczek).
Wodę otrzymuje się przez spalanie wodoru w tlenie:
2H2 + O2 = 2H2O.
Reakcja ta jest jedną z najbardziej egzotermicznych reakcji.
Woda jest substancją chemicznie aktywną, gdyż niektóre metale, np. Na, K, Ca reagują z nią już w temperaturze pokojowej, wydzielając z wody wodór. Wiele związków chemicznych przyłącza wodę. W związkach nieorganicznych może być ona związana w dwojaki sposób:
Woda konstytucyjna nie występuje w związkach chemicznych jako cząsteczka wody, natomiast wydziela się w czasie ich rozkładu. Należy tutaj Ca(HCO3)2, Ca(OH)2, KOH, H2SO4. Na przykład pod wpływem ogrzewania:
Ca(HCO3)2 → CaO + H2O + CO2
Ca(OH)2 → CaO + H2O
2KOH → K2O + H2O
H2SO4 → SO3 + H2O
woda koordynacyjna. Woda ta związana jest z cząsteczką specjalnym wiązaniem koordynacyjnym, np.:
[Cu(NH3)4(OH)2]+3 , [Cr(H2O)6]+3
woda krystalizacyjna - Woda ta jest związana w kryształach związków jonowych w ilościach stechiometrycznych np. w gipsie CaSO4•2H2O i siarczanie miedzi CuSO4•5H2O. Usunięcie jej z takich substancji jest bardzo trudne.
Woda sieciowa. Podczas ogrzewania związków zawierających wodę sieciową nie obserwuje się powstawania nowych faz. Woda zawarta jest między warstwami sieci krystalicznej.
Woda w przyrodzie
Woda w przyrodzie nigdy nie jest czysta, lecz zawiera pewną ilość zawiesin oraz rozpuszczone związki chemiczne i gazy. Zawartość soli w wodach słodkich jest na ogół niewielka i rzadko przekracza 0,5 g/dm3. Wody te zawierają głównie wodorowęglany wapnia i magnezu oraz w mniejszej ilości ich chlorki i siarczany. Z reguły w wodach słodkich znajdują się pewne ilości związków żelaza i manganu. Woda morska jest szczególnie bogata w sole sodowe i magnezowe (głównie NaCl oraz MgCl2 i MgSO4). Zasolenie wód morskich jest dużo większe i wynosi 6 g/dm3 w Bałtyku i 36 g/dm3 w Atlantyku.
Dalszymi domieszkami wody są gazy w niej rozpuszczone (azot, tlen oraz dwutlenek węgla, który obficie występuje w niektórych źródłach mineralnych). Substancje organiczne w wodzie występują w postaci zawiesin i drobnoustrojów.
Najczystszym rodzajem wody w przyrodzie jest woda pochodząca z opadów atmosferycznych, ale i ona zawiera pewne ilości pyłów i rozpuszczonych gazów.
Twardość wody
Wymienione wyżej związki chemiczne zawarte w wodach naturalnych (głównie wodorowęglany oraz chlorki i siarczany wapnia i magnezu ) wywołują tzw. twardość wody, która utrudnia pienienie się mydła i innych środków piorących. Zapotrzebowanie na wodę do celów przemysłowych jest duże i rośnie. W zależności od celów musi być odpowiednio oczyszczona - do zasilania kotłów musi być pozbawiona soli mineralnych, przede wszystkim węglanu wapnia, ponieważ w czasie gotowania osadza się on jako tzw. kamień kotłowy. Ma on bardzo małe przewodnictwo cieplne, co powoduje duże straty cieplne a nagłe odpryski kamienia kotłowego mogą prowadzić do przegrzania wody i wybuchu kotła. Woda używana w przemyśle włókienniczym nie może zawierać metali ciężkich. Szczególnie duże wymagania stawia się wodzie do picia. Twardość wody wyraża się w stopniach, np. jeden stopień francuski odpowiada zawartości 1g węglanu w 100 cm3 wody. Wprowadza się następujące pojęcia:
Twardość całkowita - suma twardości węglanowej i niewęglanowej
Twardością węglanowa - wywołana przez wodorowęglany wapnia Ca(HCO3)2 i magnezu Mg(HCO3)2 Można ją usunąć przez zagotowanie wody. Podczas gotowania wody wodorowęglany przechodzą w znacznie trudniej rozpuszczalne węglany, które osadzają się na ścianach naczynia.
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2
Twardością niewęglanowa - spowodowana zawartością w wodzie innych soli wapnia i magnezu np. CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2.
Metody oczyszczania wody.
Zmiękczanie wody jest to proces polegający na usuwaniu jonów wapnia i magnezu tj. głównych kationów powodujących twardość wody, przez przeprowadzenie ich w trudno rozpuszczalne związki.
W przemyśle najbardziej rozpowszechnioną metodą zmiękczania wody jest metoda wapienno-sodowa. Metoda ta polega na dodawaniu do wody jednocześnie wodorotlenku wapnia Ca(OH)2 i sody Na2CO3. Dodatek do wody wodorotlenku wapnia powoduje usunięcie twardości węglanowej według reakcji:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O
Dodatek zaś węglanu sodowego ma na celu usunięcie z wody twardości niewęglanowej według reakcji:
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4;
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl
Proces całkowitego usuwania soli z wody przyjęto nazywać demineralizacją wody. Najstarszą metodą demineralizacji wody jest destylacja. Jest to sposób kosztowny i stosowany na niewielką skalę w laboratoriach chemicznych i aptekach.
Do celów przemysłowych wodę demineralizuje się za pomocą wymieniaczy jonowych zwanych jonitami. Jonity są to żywice organiczne o skomplikowanej budowie, wykazujące zdolność do wymiany jonów wchodzących w ich skład na jony znajdujące się w roztworze wodnym. Jonity wymieniające kationy nazywamy kationitami, wymieniające zaś aniony nazywamy anionitami . Podczas przepływu wody przez złoże jonitu zachodzi wymiana jonów, przy czym na kationicie kwasowym (wodorowym) zachodzi wymiana wszystkich kationów zawartych w wodzie na jony wodorowe :
H-R-H + Ca2+ → RCa + 2 H+
Natomiast na anionicie zasadowym (wodorotlenowym) zachodzi wymiana wszystkich anionów na jony wodorotlenowe wg reakcji:
HO-R-OH + SO42- → RSO4 + 2OH-
W ten sposób woda zostaje całkowicie pozbawiona zawartych w niej soli, przy czym wytwarza się równoważna liczba jonów H+ i OH- tworzących cząsteczki wody. Po przejściu wody przez system wymieniaczy jonowych można otrzymać wodę o czystości podwójnie destylowanej.
Do celów spożywczych wodę przygotowuje się w następujący sposób: wodę rzeczną wprowadza się do odstojników, gdzie opadają zawiesiny stałe. Tak oczyszczona woda zawiera jeszcze rozpuszczone gazy, sole mineralne i bakterie. Bakterie niszczy się przez dodatek chloru lub ozonu. Niewielkie ilości soli mineralnych nadają wodzie smak. Do wody dodaje się nieco soli dostarczających jonów fluorkowych w celu zapobiegania próchnicy zębów. Tak przygotowaną wodę wprowadza się do sieci miejskiej.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Doświadczenie 1. Wykrywanie wodorowęglanów wapnia i magnezu Ca(HCO3)2 i Mg(HCO3)2
Odparuj do sucha około 50 cm3 wody wodociągowej w parowniczce porcelanowej. Pozostałość zwilż kilkoma kroplami stężonego kwasu solnego. W razie obecności w wodzie wodorowęglanów pozostałość w parowniczce po dodaniu HCl burzy się, gdyż zachodzi reakcja:
CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + CO2 + H2O
Roztwór zachowaj do następnych doświadczeń (2 i 3)
Doświadczenie 2. Wykrywanie jonów wapniowych (Ca2+).
Połowę otrzymanego w doświadczeniu 1 roztworu wlej do probówki i dodaj kolejno: amoniaku, chlorku amonu i szczawianu amonu (NH4)2C2O4. Wytrącenie się białego osadu szczawianu wapnia świadczy o obecności soli wapnia
CaCl2 + (NH4)2C2O4 = CaC2O4 + 2NH4Cl
Doświadczenie 3. Wykrywanie jonów żelazowych (Fe3+)
Do pozostałej z doświadczenia 1 części roztworu dodaj kilka kropli HNO3, zagotuj, a po oziębieniu dodaj kilka kropli roztworu rodanku potasu KCNS. Powstanie czerwonego zabarwienia świadczy o obecności soli żelazowych, gdyż zachodzi reakcja:
Fe(NO3)3 + 3 KCNS = Fe(CNS)3 + 3 KNO3
Doświadczenie 4. Wykrywanie jonów chlorkowych (Cl-).
Do trzech probówek zawierających wodę rzeczną, wodociągową i destylowaną dodaj kilka cm3 roztworu azotanu srebra. Zmętnienie roztworu lub wytrącenie białego osadu chlorku srebra świadczy o obecności jonów chlorkowych.
NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3
Doświadczenie 5. Wykrywanie jonów siarczanowych (SO42-).
Do trzech probówek zawierających wodę rzeczną, wodociągową i destylowaną dodaj kilka cm3 wodnego roztworu chlorku baru. Powstanie białego zmętnienia lub wytrącenie się białego osadu świadczy o obecności jonów siarczanowych.
CaSO4 + BaCl2 = BaSO4 + CaCl2
Doświadczenie 6. Wykrywanie amoniaku (NH3) lub soli amonowych (jonów NH4+).
Do trzech probówek zawierających wodę rzeczną, wodociągową i destylowaną dodaj po 1 cm3 odczynnika Neslera. Jeżeli woda zawiera wolny amoniak lub sole amonowe pojawia się zabarwienie od żółtego do pomarańczowo-brunatnego. Powstaje złożona sól kompleksowa:
2K2HgI4 + KOH +NH4OH = 7KI +3H2O + Hg2ONH2I
Wystąpienie białego zmętnienia wskazuje na obecność dużej ilości wapnia.
Doświadczenie 7. Zmierz pH i przewodnictwo elektryczne wody rzecznej, wodociągowej i destylowanej. Porównaj i przedyskutuj uzyskane wyniki dwóch pierwszych pomiarów z wynikami pomiaru dla wody destylowanej.