Woda i roztwory wodne

strona 1/7
Woda i roztwory wodne
Dorota Lewandowska, Anna Warchoł, Lidia Wasyłyszyn
Treść podstawy programowej:
Woda i roztwory wodne – zagrożenia cywilizacyjne wynikające z jej zanieczyszczeń. Roztwory, rozpuszczalność, stężenie procentowe roztworów - podstawowe obliczenia. Zagadnienia do powtórki
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Budowa cząsteczki wody, właściwości wody.
Występowanie i znaczenie wody
Różne rodzaje „wód”
Substancje łatwo i trudno rozpuszczalne w wodzie (roztwory, zawiesiny).
Rodzaje roztworów.
Rozpuszczalność.
Stężenie procentowe roztworu.
Zagrożenia cywilizacyjne wynikające z zanieczyszczenia wody
Kompendium wiedzy
1. Budowa cząsteczki wody, właściwości wody.
O
H2O
wzór
sumaryczny
H
model
cząsteczki
H
wzór
strukturalny
W cząsteczce wody wiązania pomiędzy atomem tlenu a atomami wodoru to wiązania atomowe
spolaryzowane. Wspólne pary elektronowe są przesunięte w kierunku atomu tlenu, co nadaje cząsteczce charakter polarny. W cząsteczce można wyróżnić dwa bieguny: dodatni i ujemny. Taki układ
dwóch różnoimiennych ładunków znajdujących się w pewnej odległości od siebie nazywamy dipolem
elektrycznym.
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 2/7
H
H
O
wzór
kreskowy
–
+
dipol
elektryczny
WŁAŚCIWOŚCI WODY
FIZYCZNE
CHEMICZNE
• bezbarwna, bezwonna ciecz
• największą gęstość – 1 g/cm3 – ma w temp. 40C
• krzepnie w temp. 00C zwiększając przy tym
objętość
• w postaci ciekłej ma większą gęstość niż
w postaci stałej
• wrze w temp. 1000C
• jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji
(szczególnie o budowie jonowej)
• w reakcji z niektórymi metalami
i tlenkami metali tworzy zasady
• w reakcji z niektórymi tlenkami
niemetali tworzy kwasy
• bierze udział w procesie dysocjacji
(kwasów, zasad, soli) oraz reakcjach
hydrolizy (tłuszczów, białek, cukrów)
• stanowi produkt wielu reakcji chemicznych, min. zobojętniania i estryfikacji
2. Występowanie i znaczenie wody
Woda:
• to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny na naszej planecie. Stanowi ona 2/3 powierzchni kuli ziemskiej, występuje we wszystkich organizmach żywych i dlatego jest im niezbędna do życia.
• bierze udział w ważnych procesach: jest substratem w reakcji fotosyntezy, bierze udział w procesach życiowych wszystkich organizmów żywych
3. Różne rodzaje „wód”
Podział wód ze względu na występowanie:
•
•
•
•
•
•
opadowe (deszcz)
powierzchniowe (rzeki, jeziora, morza)
podziemne (studnia)
mineralne (źródło)
słodkie (rzeki, jeziora)
słone (morza, oceany)
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 3/7
Podział wód ze względu na skład:
•
•
•
•
•
•
woda destylowana (woda chemicznie czysta)
wody mineralne
solanki (zawierają NaCl)
szczawy (zawierają CO2, węglany)
siarkowe (zawierają H2S, siarczany, siarczki)
gorzkie (zawierają MgSO4)
Roztwory, które w nazwie zawierają słowo woda:
• woda wapienna – nasycony roztwór Ca (OH)2 używana do wykrywania CO2
• woda królewska – mieszanina stężonych kwasów HNO3 i HCl w stosunku 1:3 (roztwarza metale
szlachetne)
• woda ciężka – D2O – moderator w reaktorach jądrowych, zawiera izotop wodoru – deuter
• woda bromowa Braq – wodny roztwór bromu
• woda amoniakalna NH3aq wodny roztwór amoniaku
• woda hydratacyjna; krystalizacyjna – woda, której cząsteczki wbudowane są w sieć krystaliczną
związków chemicznych np. CaSO4 · 2H2O, CuSO4 · 5H2O
• woda twarda – woda zawierająca rozpuszczone w niej substancje, głównie sole wapnia i magnezu;
powoduje ona: powstawanie kamienia kotłowego oraz złe pienienie się mydła
• woda miękka – przeciwieństwo wody twardej, woda pozbawiona soli wapnia i magnezu
4. Substancje łatwo i trudno rozpuszczalne w wodzie (roztwory i zawiesiny).
Substancje chemiczne można podzielić ze względu na rozpuszczalność w wodzie na:
łatwo rozpuszczalne w wodzie
trudno rozpuszczalne w wodzie
sól kuchenna (chlorek sodu)
wapień (węglan wapnia)
chlorowodór
kwas stearynowy
glicerol
metan
glukoza
celuloza
Dla substancji łatwo rozpuszczalnych woda jest rozpuszczalnikiem. Rozpuszczanie to proces fizyczny polegający na mieszaniu się cząsteczek substancji rozpuszczonej z cząsteczkami rozpuszczalnika.
Substancja chemiczna rozpuści się w wodzie wówczas, gdy jej budowa i właściwości są podobne do
budowy i właściwości wody, zgodnie z zasadą podobne rozpuszcza podobne.
Szybkość rozpuszczania się substancji stałych w wodzie można zwiększyć przez:
•
•
•
mieszanie,
zwiększenie temperatury rozpuszczalnika,
rozdrobnienie substancji.
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 4/7
Po zmieszaniu substancji z wodą można otrzymać:
• roztwór – mieszaninę jednorodną składającą się z substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika,
np. kwas octowy + woda;
• zawiesinę – mieszaninę niejednorodną, w której substancja opada na dno pod wpływem swojego ciężaru (sedymentacja), np. kreda + woda;
• mieszaninę niejednorodną, w której substancja tworzy warstwę na powierzchni wody, np.
olej + woda;
• roztwór koloidalny – mieszaninę jednorodną, która wykazuje efekt Tyndalla – rozszczepia promienie świetlne np. mleko, białko, kleik skrobiowy.
5. Rodzaje roztworów.
ROZTWÓR WŁAŚCIWY
NIENASYCONY
ROZCIEŃCZONY
NASYCONY
PRZESYCONY
STĘŻONY
• Roztwór nasycony to roztwór, w którym w danej temperaturze nie rozpuści się dodatkowa ilość
substancji.
• Roztwór nienasycony to roztwór, w którym w danej temperaturze można rozpuścić dodatkową
ilość substancji.
• Roztwór przesycony to roztwór, w którym w danych warunkach znajduje się większa ilość substancji, niż wynika to z jej rozpuszczalności. Roztwór taki jest niestabilny, a nadmiar substancji
rozpuszczonej wydzieli się z niego w postaci kryształów (krystalizacja).
• Roztwór rozcieńczony to roztwór, w którym ilość substancji jest dużo mniejsza niż jej rozpuszczalność (w tej samej temperaturze).
• Roztwór stężony to roztwór, w którym ilość substancji jest bliska wartości jej rozpuszczalności
(w tej samej temperaturze).
6. Rozpuszczalność.
Ilość substancji, jaką można rozpuścić w danej ilości rozpuszczalnika, jest ograniczona rozpuszczalnością tej substancji. Rozpuszczalność to liczba gramów substancji, jaką maksymalnie można
rozpuścić w 100 gramach rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem (otrzymując
roztwór nasycony).
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 5/7
Rozpuszczalność zależy od:
A. rodzaju substancji,
B. rodzaju rozpuszczalnika
C. temperatury:
• rozpuszczalność większości ciał stałych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury,
• rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury.
Rozpuszczalność [g/100g wody]
Wygodnym sposobem przedstawienia zależności rozpuszczalności od temperatury jest wykres zwany krzywą rozpuszczalności.
45O
40O
35O
30O
chlorek
sodu
25O
20O
siarczan(VI)
miedzi(II)
15O
azotan(V)
potasu
10O
5O
O
2O
4O
6O
8O
10O
Temperatura [˚C]
Korzystając z krzywych rozpuszczalności można:
• porównać rozpuszczalność różnych substancji w wodzie w tej samej temperaturze
• odczytać ile gramów substancji można maksymalnie rozpuścić w 100 g wody o określonej temperaturze np. około 64 g azotanu potasu można maksymalnie rozpuścić w 100 g wody w 40oC
• odczytać w jakiej temperaturze w 100 g wody można rozpuścić określoną masę substancji np.
w 20oC można maksymalnie rozpuścić około 32 g azotanu(V) potasu
• odczytać parametry (współrzędne) opisujące roztwór nienasycony, nasycony i przesycony np. roztwór nienasycony można otrzymać rozpuszczając w 100 g wody o temperaturze 60oC 100 g
azotanu(V) potasu
7. Stężenie procentowe roztworu.
Stężeniem określa się zawartość substancji rozpuszczonej w danej ilości roztworu.
Jednym ze sposobów wyrażania stężeń jest stężenie procentowe, które jest równe liczbie gramów
substancji zawartej w 100 gramach roztworu, tylko wyrażone jest w procentach. Wielkość ta znajduje
się na etykietach opakowań wielu artykułów, nie tylko spożywczych.
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 6/7
Jeśli roztwór ma stężenie np. 15% to znaczy, że w 100 gramach tego roztworu znajduje się 15 g
substancji i 85 g rozpuszczalnika.
Używa się następujących oznaczeń:
•
•
•
•
Cp – stężenie procentowe
ms – masa substancji rozpuszczonej
mrozp. – masa rozpuszczalnika
mr – masa roztworu (mr = ms + mrozp.)
Stężenie procentowe roztworu można obliczyć:
•
korzystając ze wzoru
Cp =
ms
100%
mr
• na podstawie proporcji
znajduje się
w mr
w 100g roztworu
znajduje się
ms
x gramów substancji (Cp)
mr
m
= s
100 g
x
8. Zagrożenia cywilizacyjne wynikające z zanieczyszczenia wody
Wzrost liczby ludności i rozwój produkcji przemysłowej powodują większe zużycie wody, a jednocześnie zwiększa się zanieczyszczenie wód. Do wody dostają się na obszarach zurbanizowanych ścieki
przemysłowe, komunalne, a na obszarach rolniczych nawozy sztuczne i pestycydy (patrz rozdział 10
Wpływ różnych substancji na organizm człowieka).
Do głównych zanieczyszczeń wody należą:
•
•
•
•
•
•
detergenty
metale ciężkie
nawozy sztuczne
fenole
zasolenie
zakwaszenie
Data utworzenia: 2008-11-30
strona 7/7
Skażenie rzeki w górnym jej biegu może doprowadzić do zanieczyszczenia całych akwenów wodnych
np. rzeka Ren1 niesie zanieczyszczenia z Niemiec przez Holandię do Morza Północnego, na niektórych
odcinkach pozbawiona jest organizmów żywych.
Etapy oczyszczania ścieków2:
• oczyszczanie mechaniczne – oddzielanie większych odpadów w ściekach na specjalnych kratach, grubych sitach lub w tzw. osadnikach,
• oczyszczanie biologiczne – rozłożenie związków organicznych przez niektóre bakterie, pierwotniaki lub grzyby,
• oczyszczanie chemiczne – unieszkodliwienie związków chemicznych (azotanów, fosforanów, toksycznych związków organicznych) przez m.in. utlenianie ozonem, chlorem, nadtlenkiem wodoru.
Zbiorniki wodne mają zdolność do samooczyszczania się, polegającego na likwidowaniu doprowadzonych do nich zanieczyszczeń przez niektóre organizmy. Proces ten przebiega bardzo wolno,
a ważną rolę odgrywają w nim takie procesy jak sedymentacja zawiesin, utlenianie lub zobojętnianie
związków chemicznych. Samooczyszczanie jest bardzo złożonym procesem i zależy od rodzaju zbiornika wodnego, a także od jakości i stężenia doprowadzonych ścieków.
Aby woda mogła być uznana za wodę pitą musi zostać poddana procesowi uzdatniania,
który polega na:
•
•
•
•
oczyszczaniu wstępnym,
usuwaniu substancji zbędnych i toksycznych,
wzbogaceniu w substancje pożądane (mikro- i makroelementy),
unieszkodliwieniu drobnoustrojów mogących powodować choroby zakaźne.
Zapotrzebowanie na wodę ciągle wzrasta, dlatego szczególnie ważne staje się racjonalne gospodarowanie ziemskimi zasobami wody oraz troska o to by ograniczyć emisję mogących ją zanieczyszczać
odpadów
Ważne pojęcia:
• Mineralizacja wody – wzbogacenie wody w rozpuszczalne sole nieorganiczne, ważne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu
• Eutrofizacja – nadmierny wzrost glonów, którego skutkiem jest obumieranie zwierząt i roślin na
dnie zbiorników wodnych
1
2
Świat wiedzy, Planeta Ziemia, Europa dzisiaj
K.Łopata, P.Salamon, K.Tyszkiewicz, Tajemnice powietrza i wody, WSiP 1998
Data utworzenia: 2008-11-30