Woda Jako Słaby Elektrolit: Kompletny Przewodnik
- Szczegóły
Woda, choć powszechnie uważana za rozpuszczalnik, sama w sobie jest słabym elektrolitem. Zrozumienie tego faktu jest kluczowe do wyjaśnienia wielu procesów chemicznych zachodzących w roztworach wodnych, w tym hydrolizy soli i wpływu twardości wody na zdrowie.
Sole i Ich Dysocjacja w Wodzie
Sole to związki chemiczne zbudowane z kationów metali (lub kationu amonu) i anionów reszt kwasowych. Pomiędzy kationami a anionami występują wiązania jonowe, zatem po wprowadzeniu soli do wody po jej całkowitym lub częściowym nawet rozpuszczeniu następuje proces dysocjacji jonowej - cząsteczki wody asocjują kationy i aniony separując te od siebie i niwelując oddziaływania elektrostatyczne kation-anion w soli.
Kryształy jonowe bardzo dobrze dysocjują, to proces ten zachodzi w 100%, stąd też sole są bardzo dobrymi elektrolitami. Podczas rozpuszczenia wielu soli w wodzie obserwujemy zakwaszenie lub alkalizowanie roztworu wodnego.
Wynika to z zachodzących reakcji protolizy - niektóre spośród kationów lub anionów uwalnianych do roztworu w trakcie procesu dysocjacji ulegają dalszej reakcji z wodą - jest to dysocjacja kwasowa (hydroliza kationowa) lub dysocjacja zasadowa (hydroliza anionowa). Z wodą nie będą natomiast reagować jony pochodzące od mocnych kwasów lub zasad.
Przykłady Dysocjacji Soli
Przeanalizujmy trzy sole: chlorek amonu, octan sodu i chlorek sodu. Wszystkie te trzy sole to kryształy jonowe - więc po umieszczeniu w wodzie będą one dysocjowały w 100%. Fakt ten obrazują poniższe równania reakcji chemicznych:
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
Spośród powstających jonów, te które w myśl teorii Brønsteda-Lowry’ego są słabymi kwasami lub zasadami będą reagować dalej z wodą, która będzie zachowywała się kolejno jak słaba zasada lub słaby kwas.
- Kation NH4+ w obecności wody zachowuje się jak kwas (oddaje cząsteczce wody proton, która pełni tu funkcję zasady).
NH4+ + H2O ⇄ NH3 + H3O+ (dysocjacja kwasowa/ hydroliza kationowa)
- Anion CH3COO- w obecności wody zachowuje się jak zasada (pobiera od cząsteczki wody proton, która pełni tu funkcję kwasu).
H2O + CH3COO- ⇄ OH− + CH3COOH (dysocjacja zasadowa/ hydroliza anionowa)
- Anion chlorkowy jako jon pochodzący z dysocjacji mocnego kwasu nie będzie dalej reagował z wodą - hydroliza nie ma miejsca. Kation sodu również nie reaguje z wodą, nie jest on ani kwasem ani zasadą w myśl teorii Brønsteda-Lowry’ego.
Moc Kwasów i Zasad a Dysocjacja
Kwasy dzielimy na mocne i słabe, a to wszystko ma związek z tym jak kwas zachowuje się w wodzie. Jeżeli kwas dysocjuje w pełni, czyli w stu procentach, to kwas był mocny. Jeżeli natomiast był on słaby, to dysocjował w kilku, kilkunastu procentach (generalnie w mniej niż stu). W sytuacji, gdy mamy do czynienia z reakcją odwracalną (⇄), aby cokolwiek tam obliczyć (ile jest danego reagenta), potrzebujemy tak zwanej stałej równowagi.
W przypadku dysocjacji kwasu stała równowagi, która opisuje tą dysocjację nazywa się stałą kwasową i oznaczana jest symbolem Ka. Dość łatwo zauważyć, że im wyższa wartość Ka tym więcej będzie jonów H+ w stanie równowagi, a to oczywiście oznacza, że kwas jest mocniejszy. W chemii bardzo często używa się także pKa, która jak już się domyślasz jest ujemnym logarytmem ze stałej kwasowej.
Przeczytaj także: Inwestycje w Jakość Wody w Proszówkach
Im większa wartość stałej kwasowej Ka, tym mocniejszy kwas, a tym mniejsza wartość pKa. Moc zasady będziemy oceniać na podstawie stałej zasadowej. Stałej zasadowej będziemy używać jeżeli będą powstawać jony OHー, a stałej kwasowej kiedy powstaną jony H+.
Hydroliza Soli
Reakcje hydrolizy soli to reakcje jonów niektórych soli z cząsteczkami wody prowadzące do utworzenia słabego elektrolitu. O odczynie decyduje składnik soli pochodzący z mocnego elektrolitu, a hydrolizie ulega ten jon, który pochodzi od elektrolitu słabego.
Na podstawie równania reakcji hydrolizy można określić odczyn wodnego roztworu soli, np.:
- Sól mocnego kwasu HCl i słabej zasady Cu(OH)2 - CuCl2 reaguje z wodą, w wyniku czego powstaje HCl i Cu(OH)2.
- Sól słabego kwasu H2CO3 i mocnej zasady NaOH - Na2CO3 reaguje z wodą, w wyniku czego powstaje H2CO3 i NaOH.
- Sól słabego kwasu octowego CH3COOH i słabej zasady NH3 · H2O (amoniak) - CH3COONH4 reaguje z wodą, w wyniku czego powstaje CH3COOH i NH3 · H2O.
- Sól mocnego kwasu HCl i mocnej zasady NaOH - NaCl nie hydrolizuje, ponieważ jony pochodzące od mocnych elektrolitów nie reagują z wodą.
Autodysocjacja Wody
Podobnie zresztą było ze słabymi kwasami czy zasadami, które też pozostawały ,,nienaruszone”. Jednak z ostatniego artykułu wiemy, że słabe kwasy i zasady także dysocjują, tylko po prostu częściowo. Aby to zaznaczyć, używamy dwóch strzałek, które alarmują nas, że jest to proces równowagowy. Z wodą jest podobnie i ona też ulega dość śmiesznemu rodzajowi dysocjacji, ponieważ reaguje sama ze sobą w procesie, który z tego powodu nazywa się autodysocjacja.
Nie zaznaczanie tutaj dwóch strzałek tylko użycie pojedynczej strzałki jest katastrofalnym błędem! Dlaczego? Dlatego, że na dziesięć milionów cząsteczek wody, tylko jedna ulega dysocjacji, więc faktycznie jest to proces równowagowy, przesunięty mocno w stronę wody! W każdym roztworze zależność pomiędzy jonami H+ oraz OHー jest spełniona! Pamiętaj, że dotyczy to tego samego roztworu. Po prostu w roztworze kwaśnym jest więcej jonów H+, więc wtedy musi być po prostu zawsze mniej jonów OHー. Oczywiście działa to też w drugą stronę.
Przeczytaj także: Woda mineralna Józef: Zalety
Wartość iloczynu jonowego może się zmieniać w zależności od temperatury. Podana wcześniej wartość Kw oraz pKw odpowiadają wartości T = 25℃. Jeśli w jakiejś temperaturze wartość pKw = 13,6, to pH wody jest inne, ale to nie oznacza, że jest ona ,,kwasowa czy zasadowa”. Skala pH zmienia swoje wartości graniczne! Oczywiście dalej spełniona jest zależność, że dla obojętnej wody [H+] = [OHー], co oczywiście oznacza też, że pH = pOH dla wody. Czyli wtedy odczyn kwasowy będzie dla pH < 6,8, a odczyn zasadowy powyżej 6,8.
Twardość Wody
Twardość wody jest jedna z właściwości wody, która jest skutkiem obecności jonów minerałów i metali rozpuszczonych w wodzie. Przede wszystkim jonów wapnia (Ca2+) i magnezu (Mg2+). Twardością całkowitą nazywana jest zawartość jonów magnezu i wapnia przeliczona na tlenek wapnia. Na twardość całkowitą (ogólną) składa się twardość przemijająca i trwała.
Twarda woda którą czerpiemy ze źródeł podziemnych, ma różną mineralizację, która zmienia się w zależności od geologicznego składu ziemi przez którą przechodzą warstwy wodonośne.
Twarda woda zawierająca minerały zazwyczaj jest dobra smakowo i wskazana do picia ze względów zdrowotnych. Jednocześnie ta sama woda zawierająca jony wapnia i magnezu, powoduje problemy w instalacjach i niektórych urządzeniach. Minerały krystalizując w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, tworzą twardy osad zwany kamieniem kotłowym.
Twardość wody podaje się w milimolach jonów wapnia lub magnezu w 1 dm³ wody według wskaźników międzynarodowych lub w stopniach twardości (niemieckich, francuskich i innych). Norma Polska dla wody przeznaczonej do spożycia wynosi: 60-500 mg CaCO3/dm3
Skala Twardości Wody
| Stopień twardości wody | [mmol/l] |
|---|---|
| Woda miękka | poniżej 1,5 |
| Woda średnio twarda | 1,5 - 2,5 |
| Woda twarda | powyżej 2,5 |
Twardość wody może występować na dwa sposoby:
- Twardość przemijająca/tymczasowa jest spowodowana jonem wodorowęglanowym, HCO3-. Ten rodzaj twardości można usunąć, gotując wodę w celu uwolnienia CO2.
- Twardość stała/trwała jest spowodowana azotanami wapnia i magnezu, siarczanami, chlorkami itp. Ten rodzaj twardości nie może być wyeliminowany przez gotowanie.
Elektrolity a Twardość Wody i Zdrowie
Elektrolity są ważną klasą związków, które po rozpuszczeniu wydzielają jony. Substancje, które nie wydzielają jonów po rozpuszczeniu, nazywane są nieelektrolitami. Jeśli proces fizyczny lub chemiczny, który wytwarza jony, jest zasadniczo w 100% wydajny (wszystkie rozpuszczone jony uzysku), wówczas substancja jest znana jako silny elektrolit. Jeśli tylko stosunkowo niewielka część rozpuszczonej substancji ulega procesowi wytwarzania jonów, nazywa się to słabym elektrolitem. Substancje można zidentyfikować jako silne, słabe lub nieelektrolity poprzez pomiar przewodności elektrycznej roztworu wodnego zawierającego substancję.
Elektrolity są jednym z głównych powodów, dla których twarda woda jest zdrowa. Nauka udowodniła, że elektrolity odgrywają ważną rolę w naszym zdrowiu.
Podsumowując, elektrolity są minerałami, które przenoszą ładunek elektryczny po rozpuszczeniu w wodzie.
Twarda Woda i Wytrącanie Się Węglanu Wapnia
Ważną rzeczą do zrozumienia w temacie twardej wody są osady i sposób ich występowania. W chemii osad jest nierozpuszczalnym ciałem stałym, które wyłania się z ciekłego roztworu. Pojawienie się nierozpuszczalnego ciała stałego z roztworu nazywa się wytrącaniem.
Wytracanie/krystalizacja występuje gdy woda jest przesycona. Przesycona woda zawiera więcej rozpuszczonego materiału, niż mogłoby zostać rozpuszczone przez rozpuszczalnik (wodę) w normalnych warunkach.
W wyniku przesycenia roztworu wody minerałami zachodzi proces krystalizacji i powstają na bazie kryształów osady. Im więcej minerałów w wodzie tym jest zdrowsza. Twardą wodę należy w większości przypadków uzdatnić. To nie oznacza zmiękczyć!
tags: #woda #jako #słaby #elektrolit #informacja
